ESPECTROCOPÍA INFRARROJO Introducción. - La espectroscopia IR se basa en la medición de la absorción de energía luminosa en dicha región IR (rango de 0.8 a 500µm, aunque es el IR medio, de 2 a 15 µm, la zona de más información proporciona y la que popularmente más se usa), la absorción de esa radiación excitan en una molécula distintas vibraciones mecánicas de átomos o grupos funcionales. El requerimiento de energía de los fotones para inducir cada vibración posible en una molécula es disitinto por eso las bandas salen en distintas zonas del espectro. Vibración Armónica de un solo enlace. Se puede usar la vibración armónica de un muelle espiral como modelo simple de vibración molecular. Sobre los extremos hay dos bolas con masas m A y m B (correspondiente a átomos o partes de la molécula), y el muelle espiral representa el enlace químico. 1
Tipos de Vibraciones Naturales Los modos normales de vibración en una molécula poliatómica son múltiples, apareciendo un pico de absorción por cada posibilidad de vibración en la molécula. Por eso los espectros del IR medio son tan ricos en picos. Las vibraciones de los enlaces dentro de una molecula y por consiguiente las bandas que aparecen en el espectro de IR medio se clasifican en: -vibración de tensión o elongación simétrica -vibración de tensión o elongación asimétrica -vibraciónes de flexión o deformación, acercándose dos átomos extremos entre sí, girando etc. ( p. Ej. átomos de H en un grupo CH 2 ) INTERPRETACIÓN DE ESPECTROS IR. Los espectros IR de absorción no son registrados como una función de la longitud de onda, sino del número de onda. En el contraste al espectro UV - visible, en el espectro IR: se representa la transmitancia T y se registra en la dirección de número de ondas creciente (Las cifras van descendiendo hacia la derecha pero el sentido físico es el mismo en cuanto a la energía de los fotones). Por tanto existe otra diferencia entre la manera de representar el espectro UV visible y el espectro IR : Si hay una fuerte absorción, aparece una señal grande, que es un pico negativo con respecto a la línea base. La ubicación de las bandas en un espectro se caracteriza por el número de onda y la intensidad. De tal manera que a través de la interpretación de las bandas de un espectro se puede identificar una substancia siempre que esta esté pura (Análisis cualitativo) 2
Tablas de correlación. Son usadas para interpretar espectros IR. En estas tablas están ya marcadas las regiones donde puede ocurrir la bandas de absorción de un grupo atómico particular. Las tablas de correlación para sustancias o grupos de sustancias sospechosas de estar presente en la muestra pueden ser consultadas en la base de datos del ordenador para evaluar la diferenciación del espectro problema. Esta tarea de comparación antiguamente se hacia manualmente y era tediosa pero hoy día las computadoras juegan aquí un papel importante. Las tablas de correlación y la asignación exacta puede hacerse a partir de la extensa colección de espectros disponibles que en formato digital en bases de datos. EL ESPECTROFOTÓMETRO IR 3
- El emisor Nernst en forma de varilla de un material cerámico que produce radiación IR cuando es calentando eléctricamente a aproximadamente 1600 º C. - El Choper o espejo giratorio, donde la radiación se bifurca en dos rayos de luz que aproximadamente tienen la misma intensidad. El choper se usa para recoger alternativamente el haz de medida y el haz de referencia que pasan por las cubetas de muestra y referencia. - El monocromador situado detrás de las cubetas de muestra y referencia, en él se combina en flashes sucesivos poco separados en el tiempo los dos haces. - El termoelemento que sirve como detector y resta a la señal analítica de la muestra la de la referencia hallando la transmitancia. Las Cubetas IR para sólidos tienen sus partes transparentes fabricadas con láminas de cristales iónicos de NaCI, KBr y LiF que no absorben en esta región. También hay disponibles cubetas de líquidos (que se llenan con pequeños macarrones por aspiración) y de gases caracterizadas por tener un largo paso de luz. 4
Los Detectores de IR, tradicionalmente los detectores han tenido baja sensibilidad lo que ha implicado límites de detección elevados en absorción molecular IR. Se basan en el efecto térmico de la radiación. Se usan detector de semiconductor (fotodiodo en modo fotovoltaico) MCT para IR medio y PbS para IR cercano. Se usa un detector piroeléctrico (DTGS, sulfatode triglicina Deut. o Ba titanato ) para IR-FT por ser de respuesta rápida y puede seguir fácilmente las modulaciones rápidas de la intensidad luminosa. Tienen un cristal que se polariza proporcionalmente a la intensidad de radiación recibida. La intensidad varia proporcionalmente la temperatura del detector y ésta la capacidad del condensador que forma. El Espectrofotómetro de transformada de Fourier Con los espectrómetros IR convencionales es difícil de acceder a la región de 10 a 400 cm -1 (IRL) por ello se empezó a estudiar con el espectrómetro de transformadas de Fourier. De cualquier modo este método hoy en día se ha extendido a aparatos que permiten barrer toda la región IR (IRC y IRM) y han desplazado a espectrofotómetros con monocromador. Este instrumento está basado en el principio de interferómetro de Michelson, la radiación primero golpea a un divisor(filtro dicroico semirreflejante) que escinde el haz de la luz en dos partes iguales. 5
- Los dos haces de luz interfieren en el divisor después en su viaje de vuelta cuando son reflejados sobre dos espejos dispuestos uno enfrente (espejo móvil) y otro perpendicular (espejo fijo) a la trayectoria del haz original. - La intensidad es medida como función del desfase ( s) del espejo en su desplazamiento respecto la posición intermedia. El gráfico resultante se denomina interferograma - Luego se usa la transformación de Fourier, gracias a un programa de ordenador, como método matemático para el desarrollo en serie de la curva (interferograma) y obtener así el espectro en función de la frecuencia ó número de onda. La transformada está constituida por el sumatorio de senos y cosenos de las distintas frecuencias opticas que componen de la radiación. El interferograma contiene la absorción completa de la muestra descrita para cada longitud de onda por la correspondiente disminución de intensidad luminosa. El espectro ordinario con todas las líneas espectrales se obtiene como una serie de Fourier del interferograma. Así la información de una señal con forma de coseno en el detector (interferograma más simple posible) sería mostrada después de la trasformada como una sola línea de un nº de onda particular (luz monocromática) Las ventajas de este método son mejorar la resolución y una mayor energía de flujo del haz de luz hasta llegar al detector. 6
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Preparación de la muestra: disolventes líquidos y diluyentes sólidos. Las técnicas de preparación de muestra siguientes vienen al caso para registrar un espectro IR(1 a 15 mg de substancia se requiere), dependiendo del estado físico de la muestra: - Para medir líquidos (o sustancias en forma de gel) se forma una película delgada entre dos discos de NaCI - Las sustancias sólidas se miden como A)suspensiones en un aceite de parafina (Nujol) o B) en una dispersión en una matriz sólida de KBr o KCI en forma de una pastilla prensada. 8
Si se usan disolventes, deben ser líquidos que presenten pocas bandas, tal como carbón tetracloruro, triclorometano o disulfuro carbón, cuyos espectros puros deben ser considerados y compensados. Se usan hidrocarburos fluorados tal como el triclorotrifluoroetano (ninguna bandas CH) para la determinación espectrométrica de petróleos en la aguas o los suelos contaminados, normas DIN. Las medidas se hacen en el rango correspondiente al número de onda alrededor 3000 cm -1 (2900-3150). Espectrofotometría cuantitativa de la absorción molecular IR. La determinación cuantitativa en esta región en relación a la UV-vis es difícil por las siguientes causas: 1)La medida de la señal luminosa en presencia de un ruido ambiental muy grande (radiación IR espúrea muchísimo mayor que en la zona UV-vis) ; 2) Fuentes de luz IR de baja potencia. 3) Detectores de luz IR poco sensibles generalmente basados en termoelementos ( como un termómetro de precisión que mide los efectos térmicos de la radiación IR). 9
Para determinar sustancias cuantitativamente, primero es necesario establecer linea cero y la línea base. De acuerdo con el procedimiento en cierta manera subjetivo para determinar la línea base se hace posible excluir efectos de ruidos de fondo (ej. efecto de colas de otros picos). Se traza la perpendicular a la línea cero en el máximo de absorción, y se dibuja el punto de intersección C con la línea base. El valor To se saca de la diferencia entre 100% y la línea cero. Se obtiene el valor de absorción de A = log lo/i= log To/T. Este valor de A es el relacionado con la concentración por la ley de Beer. Ejemplos de aplicación de la espectrofotometría de absorción molecular IR. Espectro IR de un residuo seco. El espectro IR de un residuo seco de una muestra de agua es mostrado como un ejemplo práctico de análisis medioambiental. De 1 a 3 mg de residuo seco se muele bien con aproximadamente 100 mg de KBr y posteriormente es presionado con 10 5 N en un molde de presión a vacío. Bajo estas condiciones, el KBr muestra las propiedades de un fluido congelado, es decir envuelve y dispersa perfectamente las partículas de muestra y se produce finalmente una pastilla muy transparente. Una banda muy características, aguda y no-ambigua aparece a 1390 cm -1 para nitratos, junto a ella otra de carbonato. La banda de absorción para fosfato, sulfato y silicatos son menos características. Estos debido a sus estructuras similares, tienen frecuencias de vibración más similares. La banda a 600 cm -1 es debido a moléculas de agua. 10
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