Laboratorio de Química Inorgánica, Programa de Química, Universidad del Atlántico

PRACTICA No 1: SIMETRIA DE MOLECULAS SIMPLES PROPIEDADES VIBRACIONALES Y ORBITALES MOLECULARES

Herrera Pascual

Laboratorio de Química Inorgánica, Programa de Química, Universidad del Atlántico. (15/10/2021)

Resumen

Con fin de probar si la teoría de grupo es suficiente para predecir las vibraciones activas en los espectros infrarrojos, se analizó los espectros IR en fase gaseosa de la serie CH4, CH3Cl, CH2Cl2, CCl4 y CDCl3 encontrados en la base de datos NIST, a estas estructuras se le aplicaron los conceptos de simetría molecular y teoría de grupos, también se analizó la fuerza de enlace (k) para cada una de las especies teniendo en cuenta la k en cada enlace, los resultados fueron comprados con el articulo Bernstein et al., Canadian Journal of Chemistry vol. 35 (1957) 226-235), llegando a la conclusión que la simetría influye en el momento dipolar de las moléculas por lo tanto en las señales que son visibles en IR.

[pic 1]

INTRODUCCIÓN

Para el estudio de la química, la simetría molecular es importante para predecir propiedades y características de las moléculas así mismo en los sistemas cristalinos, una comprensión de la simetría es esencial en las discusiones sobre espectroscopia molecular y cálculos de propiedades moleculares. La teoría de grupos se usa para analizar los datos en la simetría para esto tenemos en cuenta el lenguaje también, es por esto los nombres de operadores, elementos, punto, grupo de simetría y tablas de personajes.1 Es importante conocer la teoría de VSEPR previo a analizar la simetría molecular para predecir la estructura molecular previo a darle un grupo puntual a la molécula. En un espectro IR se muestran las asimétricas de las moléculas puestas representan un momento dipolar, cual puede ser permanente o solo momentáneo, a pesar de que las moléculas tienen diferentes movimientos como rotacionales y traslacionales, aquí solo será énfasis en los vibracionales. Estas se clasifican en Estiramientos y flexiones, los estiramientos se caracterizan por tener un cambio en tamaño del enlace entre átomos

y las flexiones hace una variación entre los ángulos de enlace. 2

MARCO TEÓRICO

En las moléculas poliatomicas los modos vibracionales no son tan fácil de predecir como en las moléculas monoatómicas. Para este análisis existen las operaciones de simetría y los elementos de simetría.

Operaciones de simetría y simetría elementos

Una operación de simetría es una operación realizada en un objeto, lo que lo deja en una configuración que es indistinguible de la posición inicial, y superponible en la configuración original. Se realiza una operación de simetría con respecto a los puntos, líneas o planos, siendo estos últimos los elementos de simetría. Para predecir las vibraciones posibles de una molécula es decir el “modo normal”. Para moléculas lineales, el modo normal se calcula con la formula 3N-5 y para moléculas no lineales con la formula 3N-6, donde N corresponde al número total de átomos presentes en la molécula y 3N hace referencia a los grados de libertad de la molécula, es decir, todos

los movimientos posibles. Los rasgos característicos de los modos normales de vibración llevan directamente a un método simple y directo para determinar cuántos de los modos normales de vibración de cualquier molécula pertenecerán a cada una de las representaciones irreductibles del grupo puntual de la molécula.3

PARTE EXPERIMENTAL

Se buscaron los espectros Infrarrojos en estado gaseoso de las moléculas: CH4, CH3Cl, CH2Cl2, CCl4 y CDCl3 en la página de NIST.

[pic 2][pic 3]

RESULTADOS

Imagen 1. Espectro infrarrojo del metano (CH4) en fase gaseosa (dos señales).

Imagen 2. Espectro infrarrojo del clorometano (CH3Cl) en fase gaseosa (cuatro señales).

[pic 4][pic 5][pic 6]

Imagen 3. Espectro infrarrojo del diclorometano (CH2Cl2) en fase gaseosa (tres señales).

Imagen 4. Espectro infrarrojo del tetracloruro de carbono (CCl4) en fase gaseosa (una señal).

Imagen 5. Espectro infrarrojo del cloroformo deuterado (CDCl3) en fase gaseosa (dos señales).

CÁLCULOS

• Metano (CH4)

[pic 7]

Imagen 6. Tetraedro de la molécula de metano (CH4).4

El grupo puntual de la molécula del metano es Td, grupo de alta simetría

correspondiente a tetraedros con átomos adyacentes al átomo central iguales. Las representaciones irreducibles de los movimientos moleculares corresponden los grados de libertad de la molécula. 3N=

15. Con 9 vibraciones por 3(3) -6= 9 ya que no es lineal.

Primero se halla la representación irreducible para todas las clases teniendo en cuenta cada operación de simetría en la molécula.

Representación irreducible

Tabla 1. Representaciones reducibles del CH4.

  Td        E        8C3        3C2        6S4        6σd        

Tr        15        0        -1        -1        3

Las representaciones irreducibles de los movimientos moleculares corresponden los grados de libertad de la molécula. 3N= 15

# 𝑹𝑰 =

𝟏

[pic 8]

𝒐𝒓𝒅𝒆𝒏

[∑ 𝑶𝒑. 𝒆𝒏 𝒍𝒂 𝒄𝒍𝒂𝒔𝒆 × 𝑪𝒂𝒄𝒕. 𝒓𝒆𝒑. 𝒓𝒆𝒅.× 𝒄𝒂𝒄𝒕. 𝒓𝒆𝒑. 𝒊𝒓𝒓𝒆𝒅. ]

1

𝑛𝐴1 = 24 [(1 × 15 × 1) + (8 × 0 × 1) + (3 × −1 × 1) + (6 × −1 × 1) + (6 × 3 × 1)][pic 9]

= 1

1

𝑛𝐴2 = 24 [(1 × 15 × 1) + (8 × 0 × 1) + (3 × −1 × 1) + (6 × −1 × −1) + (6 × 3 × 0)][pic 10]

= 0

1

𝑛𝐸 = 24 [(1 × 15 × 2) + (8 × 0 × −1) + (3 × −1 × 2) + (6 × −1 × 0) + (6 × 3 × 0)][pic 11]

= 1

1

𝑛𝑇1 = 24 [(1 × 15 × 3) + (8 × 0 × 0) + (3 × −1 × −1) + (6 × −1 × −1)[pic 12]

...