Profesora Lisandra ChacónULA 2008

Espectroscopia Infrarroja

La figura 1: Espectro Electromagnético.

IR

800-1.000.000 nm

A mayor longitud de onda menor energía

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IR CERCANO

IR MEDIO IR LEJANO

800nm 2.500nm 50.000nm

1.000.000nm

La figura 2: Regiones del espectro infrarrojo.

Espectroscopia InfrarrojaABSORCIÓN EN EL INFRARROJO

Vibraciones de Tensión

ν1: Simétricoν3: Asimétrico

Vibraciones de Flexiónν2: Tijereteox: Aleteoy: TorsiónZ: Balanceo

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INSTRUMENTACIÓN

FUENTESELECT

ORCELDA

DETECTOR

REGISTRADOR

Espectroscopia Infrarroja1. La Lámpara de Nerst: es un cilindro

delgado fabricado con óxidos de tierras raras, de unos 20mm de longitud por 1 a 2mm de diámetro. Se hace pasar corriente eléctrica por el cilindro , para calentarlo, con conexiones eléctricas en sus dos extremos. A las temperaturas de operación, el cilindro brilla al rojo sombra.

2. La Fuente Globar: El Globar es una barra de carburo de silicio con calentamiento eléctrico, de unos 5cm de longitud y 3mm de diámetro. Esta fuente suele producir una radiación IR más intensa que la lámpara de Nerst, a números de onda menores a 2000cm-1.

N (Número de Onda) 1/λ

FUENTE

Tienen un sólido inerte que se calienta eléctricamente hasta una T>1500·C.

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FUENTE

Tienen un sólido inerte que se calienta eléctricamente hasta una T>1500·C.

3. Fuente de IR con Arco de Mercurio: se usan en aplicaiones en el infrarrojo lejano. Consiste en un tubo conchaqueta de cuarzo, que contiene mercurio a una presión mayor que 1atm, a través del cual se hace pasar corriente eléctrica que forma un plasma interno, emisor de radiación.

4. Lámpara de filamento de Tungsteno: las lámpara convencionales se pueden usar como fuentes para la región de IR cercano, dentro de los límites aproximados de 4000 a 12500cm-1.

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SELECTOR MONOCROMADOR

CELDA DEPENDE DEL TIPO DE MUESTRA

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DETECTOR

1. Detectores Térmicos: funcionan midiendo los efectos de calentamiento de la radiación IR sobre un componente diseñado para actuar como un cuerpo negro.

Los termopares son el tipo más frecuente de detector térmico. Éstan formados de un tramo de un conductor metálico al que se fijan dos trozos de metales distintos . Entre las dos uniones se desarrolla una diferencia de potencial , que está relacionada con los cambios de temperatura entre las dos uniones metal-con metal, al calentar una de ellas.

2. Detectores Piroeléctricos: están formados por una capa de material piroeléctrico (sulfato de triglicina deuterada) emparedada entre dos electrodos (uno de ellos hecho de un material transparente a la radiación IR), que forman un capacitor. La radiación IR que pasa por la ventana causa un calentamiento del material, que a su vez cambia la polarización del material y la capacitancia del detector.

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DETECTOR

3. Detectores Fotoconductores: consiste en una capa semiconductora delgada, de un material como telururo de cadmio, que recubre una superficie no conductora de vidrio encerrada en una envolvente de vidrio al vacío. La exposición del semiconductor a la radiación IR eleva electrones de valencia, desde estados no conductores hasta estados conductores, aumentando así la conductividad del dispositivo.

REGISTRADOR

Espectros IR

Espectroscopia InfrarrojaPara obtener los espectros IR hay dos tipos de instrumentos:

1. Espectrómetros IR Dispersivos de Rejilla: son aquellos en los que el espectro se analiza en secuencia siguiendo la dispersión de radiación de varias longitudes de onda, mediante un monocromador o una rejilla de difracción.

En caso normal, los espectrómetros dispersivos son instrumentos de doble haz que usan rejillas de difracción para dispersar y seleccionar la frecuencia de la radiación IR a partir de una fuente blanca.

2. Espectrómetros de Transformada de Fourier multiplex (FTIR): son los más utilizados actualmente. A diferencia del dispersivo de rejilla, detecta todas las longitudes de onda y se miden en forma simultánea

Espectroscopia InfrarrojaTratamiento de las Muestras:

1. Muestras Líquidas Viscosas

No ViscosasVolátiles

No Volátiles

Celda Desmontable para Muestras Líquidas Volátiles

Discos de NaCl

Celda desmontable

Parafina

Espectroscopia InfrarrojaTratamiento de las Muestras:

2. Muestras Sólidas

3. Muestras Gaseosas

Solubles en un solvente

Suspensión con Aceite de Nujol

Insoluble en un solvente

Suspensión con KBr

Trampa de Gases

Espectroscopia Infrarroja La espectrometría del infrarrojo es sumamente útil para determinaciones

cualitativas de compuestos orgánicos y para deducir estructuras moleculares a partir de sus grupos funcionales tanto de compuestos orgánicos como inorgánicos.

En el análisis cualitativo la espectroscopia de infrarrojo puede usarse para la identificaciónde sustancias puras o para la absorción, localización e identificación de impurezas.

Para localizar una impureza en una sustancia se hace una comparación en el espectro de las sustancia que se estudia y una muestra de la sustancia pura. Las impurezas causan bandas de absorción adicionales que aparecen en el espectro.

En el IR también están encontrando uso cada vez mayor en el análisis cuantitativo, el principal campo de aplicación de este tipo de análisis se halla en la cuantificación de contaminantes atmosféricos que provienen de procesos industriales.

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Tablas de Correlación

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Región de la huella dactilarRegión de frecuencias de grupo

En los espectros IR se pueden distinguir dos zonas, una de 3600 a 1200 cm-1, conocida como región de Frecuencias de Grupo y otra entre 1200 a 600 cm-1, la región de la Huella Dactilar.

En general primero se analiza la región de frecuencias de grupo, para identificar a los grupos de la molécula y luego se afina el procedimiento analizando la región de la “huella digital” que es particular de cada molécula.

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Hay algunos grupos que absorben en la región de la “huella digital”, como el C-O-C (1200 cm-1) ó C-Cl (700 a 800 cm-).

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La “huella dactilar”: Esta región muestra las pequeñas diferencias en estructura que puede tener una molécula (se muestran las particularidades de las moléculas). Como consecuencia, la estrecha correspondencia entre dos espectros de esta región, indica la identidad del compuesto.

La mayoría de los enlaces simples originan bandas de absorción a estas frecuencias y como sus energías son aproximadamente iguales, se produce una fuerte interacción entre enlaces vecinos. Las bandas resultantes son el resultado de estas interacciones y dependen de la estructura básica general de la molécula.

Debido a la complejidad, es difícil interpretar de forma exacta estos espectros, pero a su vez, esta complejidad conduce a la singularidad y por ende a la utilidadde esta región en la identificación de compuestos.

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Ejemplo 1. C10H22

Espectro sencillo. Seguramente un HCsaturado (no haybandas de doble enlace).

Bandas C-H

Flexión CH2

A 1467

Flexión del CH3

La ausencia de bandasEntre 1300 y 750 cm-1

Sugiere una estructuraDe cadena lineal.

La banda a 782 cm-1 indicaque hay 4 o más gruposCH2 en la cadena.

El compuesto es n-decano

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Ejemplo 3. C8H16

La fórmula indica un doble enlace

Estiramiento C=C1650

En 998 y 915 haybandas de deformaciónC-H, con un pico débilen 720 cm-1.

Además, el pico a 720indica al menos 4 CH2

El compuesto es 1 octeno

Espectroscopia Infrarroja Se le sugiere realizar los ejercicios propuestos del libro

Principios de Análisis Instrumental (Skoog, Hooler) del capítulo de infrarrojo, donde se le pide identificar el compuesto a partir de espectrograma.

Recuerde revisar la estructura de los distintos grupos funcionales existentes, así como también los espectros característicos de cada uno de ellos. Esta revisión la puede realizar en el libro de Química Orgánica de Morrison y Boyd.

Investigue para el examen las aplicaciones industriales de la Espectroscopia UV-Vis e IR.