Espectro infrarrojo del dióxido de carbono Dalmonego Valentina¹ ¹ Ingeniería Química, Departamento de Ingeniería Química, Universidad Nacional del Sur, Bahía Blanca 8000. Resumen: Se exploró el espectro infrarrojo de una muestra de aire a temperatura y presión del ambiente, que contenía dióxido de carbono (CO2) y se identificaron sus bandas características. Se estudió/analizó cómo las vibraciones y rotaciones de las moléculas generan señales en el espectro infrarrojo. Introducción: La espectroscopia infrarroja se utiliza para estudiar las interacciones entre la radiación infrarroja y las moléculas. Cada molécula tiene vibraciones y rotaciones específicas que producen patrones característicos en el espectro infrarrojo. La espectroscopia infrarroja es ampliamente utilizada en aplicaciones medioambientales, químicas y de seguridad para la detección y cuantificación de CO2, ya que este es un importante gas de efecto invernadero y su concentración en la atmósfera es de gran interés en el contexto del cambio climático. También se utiliza en aplicaciones industriales, como el control de calidad en la producción de bebidas carbonatadas y la monitorización de procesos químicos donde se generan o se utilizan gases como dióxido de carbono En espectroscopía, las ramas P, Q y R se refieren a las transiciones entre niveles rotacionales de una molécula que se producen cuando ésta absorbe o emite radiación. Estas transiciones son importantes en la espectroscopía rotacional y vibracional-rotacional. A continuación se explican las definiciones de cada rama: 1. Rama P: ○ La rama P corresponde a las transiciones donde el número cuántico rotacional J disminuye en una unidad (ΔJ=−1\Delta J = -1ΔJ=−1). ○ Estas transiciones ocurren a longitudes de onda más largas (o frecuencias más bajas) en comparación con la banda central. ○ En un espectro, las líneas de la rama P están ubicadas en el lado de menor frecuencia (o mayor longitud de onda) de la banda central. 2. Rama Q: ○ La rama Q corresponde a las transiciones donde el número cuántico rotacional J permanece constante (ΔJ=0\Delta J = 0ΔJ=0). ○ No todas las moléculas tienen una rama Q observable, ya que estas transiciones no son permitidas en el caso de moléculas lineales en sus transiciones vibracionales más comunes. ○ Cuando está presente, la rama Q aparece como una única línea o un grupo de líneas muy cercanas a la frecuencia central de la transición vibracional. 3. Rama R: ○ La rama R corresponde a las transiciones donde el número cuántico rotacional J aumenta en una unidad (ΔJ=+1\Delta J = +1ΔJ=+1). ○ Estas transiciones ocurren a longitudes de onda más cortas (o frecuencias más altas) en comparación con la banda central. ○ En un espectro, las líneas de la rama R están ubicadas en el lado de mayor frecuencia (o menor longitud de onda) de la banda central. Estas ramas forman un patrón característico en el espectro que puede ser utilizado para identificar moléculas y estudiar sus propiedades rotacionales y vibracionales Procedimiento: Primero se preparó el equipo seteando los parámetros en Experiment Setup Collect con resolución 0.5, número de scan 32 y transmitancia 100%. Luego se especificó el rango de estudio(4000-400 cm-1) y con el Collet Background se recolectó el espectro. Se adquirieron diferentes espectros para distintos rango de longitudes de onda típicas para la espectroscopia infrarroja mediante gráficos de excel a partir de los datos proporcionados por la cátedra. Se registró un espectro [A] de longitud 4000-400 cm-1, un espectro [B] de longitud 2400-2280 cm-1 y un espectro [C] de longitud 400-1000 cm-1. Para el espectro [B] se identificaron ramas P y R y para el espectro [C] se identificaron ramas P, Q y R. Análisis de datos: Se realizó un análisis de las bandas de absorción características de las principales moléculas presentes en la muestra de aire, considerando que el aire está compuesto mayoritariamente por O2, N2, vapor de agua y CO2. Teniendo en cuenta que el O2 y el N2 no tienen una banda de absorción significativa en el espectro infrarrojo debido a que son moléculas homonucleares diatómicas que no tienen un momento dipolar permanente y sabiendo los distintos rangos donde se deberían encontrar bandas para el vapor de agua y el CO2 se analizó el espectro [A] y el espectro [B]. Espectro [A]: Vapor de agua (H2O): ○ Las bandas de absorción del vapor de agua en el espectro infrarrojo se encuentran en: ■ Aproximadamente 1595 cm⁻¹ (banda de flexión) ■ Aproximadamente 3652 cm⁻¹ y 3756 cm⁻¹ (bandas de estiramiento simétrico y asimétrico respectivamente) ■ También hay varias bandas de absorción más débiles en la región de 2000 a 4000 cm⁻¹ debido a combinaciones y sobretonos. Dióxido de carbono (CO2): ○ Las bandas de absorción características del dióxido de carbono en el espectro infrarrojo incluyen: ■ Aproximadamente 2349 cm⁻¹ (banda de estiramiento asimétrico) ■ Aproximadamente 667 cm⁻¹ (banda de flexión) ■ Aproximadamente 1388 cm⁻¹ (banda de estiramiento simétrico, aunque es mucho menos intensa que la banda de estiramiento asimétrico) Espectro [B] La línea naranja en el espectro infrarrojo separa las bandas P y R. Como la longitud del espectro infrarrojo [B] es de 2400-2280 cm-1 solo se pueden apreciar las bandas de CO2. Más precisamente, aproximadamente 2349 cm⁻¹ se puede encontrar la banda de estiramiento asimétrico. Espectro [C] En la imagen del espectro se encuentran señalizadas las bandas P, Q y R. Como la longitud del espectro [C] es 400-1000 cm-1 la única banda característica que podemos encontrar en él es la de CO2, aproximadamente 667 cm⁻¹ se encuentra la banda de flexión. Interpretación y Resultados: En un espectro infrarrojo (IR), diferentes moléculas tienen bandas de absorción características debido a las transiciones vibracionales y rotacionales de sus enlaces químicos pero no todas son visibles en este mismo. Oxígeno (O2): ○ El oxígeno molecular no tiene una banda de absorción significativa en el espectro infrarrojo debido a que es una molécula homonuclear diatómica (O2) que no tiene un momento dipolar permanente. Sin embargo, puede absorberse en el espectro UV-Visible debido a transiciones electrónicas. ○ Nitrógeno (N2): ○ Similar al oxígeno, el nitrógeno molecular (N2) es una molécula homonuclear diatómica sin momento dipolar permanente y no tiene bandas de absorción significativas en el espectro infrarrojo. Puede absorber en el espectro UV. La molécula de dióxido de carbono (CO2) tiene un espectro infrarrojo característico debido a sus modos de vibración y rotación. El CO2 es una molécula lineal con la estructura O=C=O, y tiene tres modos fundamentales de vibración: 1. Modo de estiramiento simétrico (ν1): ○ En este modo, los dos enlaces C=O se estiran y se comprimen simultáneamente de manera simétrica. ○ Este modo no tiene un cambio neto en el momento dipolar, por lo que es débil en el infrarrojo pero puede ser activo en el espectro Raman. 2. Modo de estiramiento asimétrico (ν3): ○ En este modo, uno de los enlaces C=O se estira mientras el otro se comprime. ○ Este modo genera un cambio en el momento dipolar, por lo que es activo y fuerte en el espectro infrarrojo. ○ La banda de absorción correspondiente a este modo se encuentra cerca de 2349 cm⁻¹. 3. Modo de flexión (ν2): ○ De este modo, los átomos de oxígeno se mueven en direcciones opuestas perpendiculares al eje de la molécula, generando una flexión. ○ Este modo también genera un cambio en el momento dipolar y es activo en el infrarrojo. ○ La banda de absorción correspondiente a este modo se encuentra cerca de 667 cm⁻¹ Además, cuando una molécula de CO2 absorbe radiación infrarroja, pueden ocurrir transiciones que involucran tanto cambios vibracionales como rotacionales. Esto se manifiesta en el espectro como una serie de líneas espectrales distribuidas alrededor de las frecuencias de los modos vibracionales principales, formando las ramas P, Q y R mencionadas y explicadas anteriormente. Discusión: ¿Cuáles son los modos de vibración de una molécula de CO2? ¿Todos pueden registrarse en el IR?. - ν1- Modo de estiramiento simétrico ν2- Modo de flexión (doblamiento) ν3- Modo de estiramiento asimétrico No todos los modos de vibración de una molécula de CO2 pueden registrarse en el espectro infrarrojo. Solo los modos que generan un cambio en el momento dipolar (como ν2y ν3) son activos y, por lo tanto, observables en el IR. El modo de estiramiento simétrico (ν1) no es observable en el IR pero puede detectarse en el espectro Raman debido a su falta de cambio en el momento dipolar. ¿Por qué se observa esa forma del espectro del CO2 a 2349 cm-1? La forma del espectro del CO2 a 2349 cm⁻¹, que corresponde al modo de estiramiento asimétrico (ν3), se debe a la interacción entre las transiciones vibracionales y rotacionales de la molécula. Esta región del espectro muestra una estructura detallada debido a las transiciones entre los niveles de energía rotacional que se superponen a la transición vibracional principal. ¿Qué variación podría observar sobre las líneas espectrales a una presión más baja? ¿Cómo podría variar el espectro a mayor temperatura? Alta Presión: ● ● A alta presión, hay más colisiones entre moléculas, lo que causa un ensanchamiento de las líneas espectrales. Las bandas espectrales pueden parecer más anchas y menos definidas. La mayor densidad molecular puede resultar en una mayor intensidad total de absorción, pero con líneas más anchas y menos definidas. Baja Presión: ● ● A baja presión, hay menos colisiones, lo que reduce el ensanchamiento por colisión. Las líneas espectrales son más nítidas y bien definidas. La menor densidad molecular disminuye la intensidad absoluta de las bandas espectrales. Sin embargo, las líneas más nítidas pueden resultar en picos más altos (intensidad relativa mayor) en comparación con la intensidad de las bandas en condiciones de alta presión. A temperaturas más altas, las bandas espectrales tienden a volverse más intensas en términos absolutos, pero las líneas individuales dentro de las bandas pueden ser más anchas y menos definidas. ¿Por qué el espacio entre líneas espectrales de CO2 a 2349 cm-1 se vuelve más estrecho a medida que aumenta el número de onda? El espaciamiento entre las líneas espectrales del CO2 en la región de 2349 cm⁻¹ se vuelve más estrecho a medida que aumenta el número de onda debido a la estructura cuadrática de los niveles de energía rotacional. Este fenómeno es una consecuencia directa de las propiedades de las transiciones rotacionales y la naturaleza del espaciado de energía rotacional, que disminuye con niveles de J más altos. ¿Cuáles son los principales compuestos presentes en el aire y las bandas de absorción que contribuyen al efecto invernadero? ¿Qué podrían decir sobre la importancia del CO2 en el efecto invernadero y su determinación a través de espectroscopia infrarroja? Los principales compuestos presentes en el aire que contribuyen al efecto invernadero, junto con sus bandas de absorción relevantes, son los siguientes: 1. Dióxido de Carbono (CO2) ● Bandas de absorción principales: ○ 2349 cm⁻¹ (4.26 μm): Estiramiento asimétrico. ○ 667 cm⁻¹ (15 μm): Flexión (doblamiento). 2. Vapor de Agua (H2O) ● Bandas de absorción principales: ○ 1595 cm⁻¹ (6.3 μm): Flexión. ○ 3650-3750 cm⁻¹ (2.7 μm): Estiramiento simétrico y asimétrico. ○ Amplias bandas de absorción en el rango de 1300-1900 cm⁻¹ (5.3-7.7 μm). 3. Metano (CH4) ● Bandas de absorción principales: ○ 1306 cm⁻¹ (7.66 μm): Flexión. ○ 3010 cm⁻¹ (3.32 μm): Estiramiento C-H. 4. Óxido Nitroso (N2O) ● Bandas de absorción principales: ○ 1285 cm⁻¹ (7.78 μm): Flexión. ○ 2224 cm⁻¹ (4.5 μm): Estiramiento N=N. 5. Ozono (O3) ● Bandas de absorción principales: ○ 1042 cm⁻¹ (9.6 μm): Estiramiento O-O. ○ Bandas en el rango de 700-800 cm⁻¹ (12-14 μm): Flexión. 6. Clorofluorocarbonos (CFCs) ● Bandas de absorción principales: ○ 800-1200 cm⁻¹ (8-12 μm): Bandas de absorción características para varios CFCs. Importancia del CO2 en el efecto invernadero y su determinación mediante la espectroscopia. ● ● Importancia: Aunque no es el gas más potente per mol(en términos de capacidad de calentamiento global o absorción de radiación infrarroja, una cantidad igual de ese gas (medida en moles) es menos efectiva en comparación con otros gases), su abundancia y longevidad en la atmósfera lo hacen un contribuyente significativo al efecto invernadero. Determinación: La espectroscopía infrarroja es crucial para medir sus concentraciones, aprovechando sus bandas de absorción específicas en 2349 cm⁻¹ y 667 cm⁻ ¿Cuáles son los principales gases que emite un caño de escape de un automóvil?, ¿Podría determinarlos por IR? Los principales gases emitidos por el escape de un automóvil incluyen una mezcla de compuestos, algunos de los cuales son perjudiciales para la salud humana y el medio ambiente. Los principales gases son: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Dióxido de Carbono (CO2) Monóxido de Carbono (CO) Óxidos de Nitrógeno (NOx) Hidrocarburos (HC) Dióxido de Azufre (SO2) Vapor de Agua (H2O) Compuestos Orgánicos Volátiles (COVs) La espectroscopía infrarroja es una herramienta efectiva para la detección y cuantificación de los gases emitidos por el escape de un automóvil. Las bandas de absorción características de cada gas permiten una identificación precisa, lo que es crucial para el monitoreo de emisiones y el control de la contaminación atmosférica. ¿Cuáles son los principales gases que emite el humo de un cigarrillo?, ¿Podría determinarlos por IR? El humo de un cigarrillo contiene una compleja mezcla de gases y partículas, muchos de los cuales son tóxicos y perjudiciales para la salud. Los principales gases emitidos por el humo de un cigarrillo incluyen: 1. Monóxido de Carbono (CO) 2. Dióxido de Carbono (CO2) 3. Amoníaco (NH3) 4. Formaldehído (CH2O) 5. Acetaldehído (CH3CHO) 6. Cianuro de Hidrógeno (HCN) 7. Óxidos de Nitrógeno (NOx) 8. Acroleína (CH2CHCHO) 9. Benceno (C6H6) 10. Tolueno (C7H8) La espectroscopía infrarroja puede ser utilizada para detectar y cuantificar muchos de los gases emitidos por el humo de un cigarrillo. Cada uno de estos gases tiene bandas de absorción características que permiten su identificación. Sin embargo, la complejidad y la diversidad de los compuestos presentes en el humo pueden requerir técnicas avanzadas y cuidadosas para asegurar una identificación y cuantificación precisas. Conclusión: Se logró cumplir con el objetivo de analizar el espectro infrarrojo del CO2(haciendo un análisis de cómo las vibraciones y rotaciones de las moléculas generan señales en el espectro) e identificar las bandas características, no solo de este sino también del vapor de agua. Por último, con ayuda de las discusiones planteadas a través de respuestas a diferentes preguntas se logró relacionar lo antes dicho con el efecto invernadero. Bibliografía: https://acortar.link/8WD8eo https://acortar.link/Pqser6 Appignanesi, G. (2024). Espectroscopia de rotación-vibración. https://shre.ink/D3Gd
