ESPECTROSCOPÍA MOLECULAR INTERACCIÓN RADIACIÓN-MATERIA Es el laboratorio de la química cuántica
RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA E = h n c = nl La energía aumenta Nota: ṽ = 1/l E = hcṽ ṽ es proporcional a la energía y a la frecuencia
Cómo interactúa con la materia la radiación según su energía Microondas Infrarrojo Visible Ultravioleta cercano Ultravioleta lejano Rayos X
Microondas Transición entre estados ROTACIONALES Infrarrojo Transición entre estados VIBRACIONALES Visible y Ultravioleta cercano? Transición entre estados ELECTRÓNICOS (HOMO-LUMO) Ultravioleta lejano y Rayos X IONIZACIÓN y RUPTURA DE ENLACES
Qué es un estado electrónico? Involucra la energía de TODA la molécula Ejemplo CO: Escribir la configuración electrónica de la molécula de CO en el estado basal y en el estado excitado
1er Estado electrónico excitado Estado electrónico basal
Qué es un estado vibracional? Qué es una vibración molecular? Una modificación periódica de la longitud de los enlaces y/o de la magnitud de los ángulos de enlace. Las moléculas siempre vibran? Cómo? Por qué absorben fotones y qué pasa cuando lo hacen?
El ejemplo más simple: las moléculas diatómicas r = distancia de equilibrio k= constante de fuerza fuerza del enlace = masa reducida = (m 1 m 2 )/m 1 +m 2 La frecuencia es mayor para mayores fuerzas de enlace La frecuencia es menor para mayores masas Ejemplo: Frecuencia de oscilación para H 2 = 1.3 x 10 14 seg -1 Para HCl: 8.7 x 10 13 seg -1 CORRESPONDE A LA FRECUENCIA DE UN FOTÓN DEL IR.
Ejemplo con algunas moléculas diatómicas Aumentando el orden de enlace Aumentando la masa frecuencia : cm -1 Número de ondas : cm -1 F 2 892 F 2 892 O 2 1556 Cl 2 557 N 2 2330 Br 2 321 I 2 213 Ojo: Aunque el orden de enlace es 1 para todas, la Energía del enlace disminuye bastante en la familia
Absorción de fotones Un fotón con la misma frecuencia de la vibración, puede promover a la molécula del estado vibracional basal a un estado vibracional excitado. En que se diferencia el estado vibracional basal de un estado vibracional excitado? La frecuencia es la misma, pero la amplitud (y por lo tanto la velocidad y la Energía cinética) aumenta. Ejemplo de kínder:
Si se desea aumentar la Energía Cinética del niño en el columpio, hay que empujar de acuerdo al ritmo de oscilación del columpio. Notable: Sin importar qué tan duro empujemos, la frecuencia de la oscilación sólo depende del peso del niño y la longitud del columpio. SOLO AUMENTAMOS LA AMPLITUD.
En las moléculas, la energía de los estados vibracionales está cuantizada. La frecuencia es la misma en los diferentes estados n o Edo. basal vibracional, v=0 La amplitud también está cuantizada. n o 1er edo. excitado vibracional v=1
Reglas de selección 1. n = 1 2. Una vibración absorbe fotones SÓLO SI el momento dipolar cambia durante la vibración. Porque... el momento dipolo interactúa con la componente campo eléctrico de la luz Ejemplos diatómicas: O 2, N 2 no absorben CO, HCl sí absorben
Aplicación importante de la 2 a regla de selección Las señales más intensas en un espectro, están asociadas a momentos dipolares grandes, i.e., O-H, C=O, etc
Cómo se vería una molécula poliatómica vibrando? Vibra en todas direcciones pero sus movimientos pueden expresarse como una combinación lineal de sólo 3N-6 modos normales de vibración En un modo normal de vibración todos los átomos pasan por su posición de equilibrio al mismo tiempo. Esto es un modelo matemático que funciona
De dónde sale el 3N -6? Si una molécula tiene N átomos y cada uno puede desplazarse en 3 dimensiones, podría haber 3n movimientos de esta molécula. Si todos los átomos de esa molécula se desplazan en la misma dirección (digamos el eje x), esto es una translación y quedan 3N-1 movimientos. Como hay tres dimensiones en las cuales trasladarse, quedan 3N-3 movimientos. Si todos los átomos de esa molécula giran alrededor de un eje, eso es una rotación, y como hay tres ejes, quedan 3N-6 movimientos. Éstos que quedan, son las vibraciones. En las moléculas lineales la rotación alrededor del eje internuclear, no es un movimiento de las partículas, por eso en éstas hay 3N-5 vibraciones.
La molécula de CO 2 Tiene momento dipolar? Puede absorber fotones? Calentamiento global? gases de invernadero? N 2 y O 2 no, pero CO 2, H 2 O, CH 4 y muchas otras, sí.
Cuántas bandas se observan en el IR? El número de bandas que se observan en un espectro de IR es (cercano a) el del número de modos normales de vibración para los cuales haya un cambio en el momento dipolar durante la vibración. Puede haber modos normales de vibración degenerados, i.e., que tengan la misma frecuencia de vibración y por tanto absorban fotones de la misma frecuencia. Sin embargo, puede haber bandas combinadas, sobretonos, etc.
https://www.youtube.com/watch?v=iy- 8rguvGnM
En moléculas grandes Casi nunca se analiza un espectro identificando TODOS los modos normales de vibración de la molécula Por lo tanto, hacemos análisis de grupos funcionales.
Cómo se obtiene un espectro de IR? Muestras sólidas principalmente. Por lo tanto, hay pocas aplicaciones cuantitativas. Pastillas, (o películas) en algún material transparente al IR (transmitancia) Transmitancia: T = I/I o Como 0< I/I o <1, se usa %T Eje y: %T intervalo de valores: entre 0 y 100 Eje x: (cm -1 ) Intervalo de valores: Más común: entre 4000cm -1 y 400cm -1 En QI de 4000 cm -1 a 200cm -1 Por qué? Actualmente los equipos que usan REFLECTANCIA están desplazando a los de TRANSMITANCIA, sin embargo, los espectros se presentan en la forma tradicional.
Retomando algo de la clase pasada Estado electrónico basal y excitado(s) Estado vibracional basal y excitado(s) Ejemplo: Molécula de agua Edo elec. excitado Edo elec. basal
Estados vibracionales excitados Función de onda del estado basal Función de onda de los estados excitados Cómo esperaríamos que se viera el espectro?
El espectro IR del agua por qué está tan feo? por qué está tan feo?
Moléculas de agua en el líquido Hay muchas diferentes interacciones O H de diferente distancia y energía de enlace
Moléculas de agua ordenaditas Na 2 Fe(NO)(CN) 5 2H 2 O
100.0 95 90 3204.99 2597.80 864.08 85 80 75 70 65 3873.40 2173.69 2157.45 651.88 662.62 515.23 497.68 415.34 60 55 %T 50 45 1616.72 40 3546.73 35 30 2143.41 25 20 15 3627.12 Laser Raman spectra of a single crystal of sodium nitroprusside and the vibrational frequencies of the Fe(CN)5NO2- ion R. K. Khanna, Christopher William Brown, Llewellyn Hosford Jones Inorg. Chem., 1969, 8 (10), pp 2195 2200 10 5 1937.62 0.0 4000.0 3600 3200 2800 2400 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400.0 cm-1
Moléculas más complejas y menos simétricas Análisis de grupos funcionales. Empírico (*)
Ejemplos, benceno, tolueno 3N-6 modos normales, N=12 átomos Por qué no aparecen 30 bandas? Regla de selección = 0 degeneración
H 2 Salen N N 100.0 95 OH HO 90 3945.51 85 80 75 3384.16 3253.31 1942.61 1799.51 1876.01 1677.44 936.80 810.48 560.83 472.17 432.28 70 65 60 55 3009.12 2793.87 3051.67 2719.47 2930.74 2868.65 2635.40 2557.55 2901.29 1527.24 1316.95 1248.74 1219.34 1106.00 1113.21 980.90 972.24 874.01 897.92 773.57 756.81 647.20 %T 50 45 40 35 30 25 20 15 10 Estiramientos C-H y O-H (N-H) Puentes de hidrógeno Humedad... 1630.47 1608.83 1460.25 1454.21 1418.04 1496.11 1371.56 1281.72 1199.46 1149.22 1041.22 1020.77 855.35 748.60 741.01 Grupos funcionales involucrados en la coordinación 5 1576.53 0.0 4000.0 3600 3200 2800 2400 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400.0 cm-1
NiSalen 100.0 95 90 3239.06 1703.26 554.36 520.39 85 80 75 2942.77 3052.42 3023.82 1841.35 1940.24 1894.70 1549.29 1250.79 1224.34 992.82 971.16 951.24 1026.11 848.32 799.76 667.23 630.65 598.66 487.24 430.24 407.67 467.53 %T 70 65 60 55 50 45 40 35 N N Ni 2+ O - O - 1465.13 1384.10 1317.33 1328.53 1347.59 1238.03 1142.02 1199.48 1087.76 1126.08 903.32 749.98 739.48 733.03 30 25 Desaparece la panza asociada con los puentes de hidrógeno y de la humedad; sólo quedan las señales de los C-H 20 15 10 5 1532.54 1596.71 1448.86 1619.70 0.0 4000.0 3600 3200 2800 2400 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400.0 cm-1
Ejercicios: Analizar los espectros de Cu(P 3 ) n X m Analizar los espectros de M(dmso) n X m.
Trifenil fosfina
P 3 CuCl 2 + P 3
Esperaban que hubiera algún cambio? Cuál?, Por qué?
Cu(NO 3 ) 2 + P 3 *
Nitratos iónicos Nitratos iónicos o coordinados Nitrato iónico - 830cm -1 1385cm -1 720cm -1
Nitratos coordinados
NO 3- iónico: 1384cm -1 Cu(fen) x (NO 3 ) y
Cu(NO 3 ) 2 + fenantrolina Cu(NO 3 ) 2 + P 3
Análisis de los espectros de M(dmso) n X m.
Espectro IR del DMSO DMSO medio mojado *Bandas de agua DMSO muy mojado
Producto de CuCl 2 + x DMSO
Cuáles son las principales semejanzas y diferencias?
Cuáles son las principales semejanzas y diferencias?
Bandas debidas a los enlaces M-L? IR Lejano P 3 vs Ni(P 3 ) 2 Cl 2
Ni Pd
Efectos de campo cristalino en el IR Relation between Infrared Spectrum and Electronic Structure in Hexacyano Complexes d n cm -1 M-L K 3 [Cr(CN) 6 ] 3 2128 339 K 3 [Mn(CN) 6 ] 4 2112 361 K 3 [Fe(CN) 6 ] 5 2118 389 K 3 [Co(CN) 6 ] 6 2129 416 Cómo se explica esta relación?