CAPITULO II Espectroscopia del infrarrojo

CAPITULO II
Espectroscopia del infrarrojo
2.1
Región del infrarrojo
Los enlaces químicos que unen entre sí a los átomos de una molécula, no son
rígidos, sino que se comportan con efectos de elasticidad de contracción o alargamiento,
también pueden llegar a presentar flexiones unos con otros, todo esto como si fueran pelotas
unidas entre sí por resortes. La absorción de energía que muestran las moléculas en la
región del infrarrojo es la causa de que sus núcleos entren en modos de vibración entorno a
sus posiciones de equilibrio.
Las absorciones de las moléculas se presentan como picos de absorción en una
región frecuencias, cada pico bien definido se le denomina modo normal de vibración, y
estos son dependientes de la masa de sus átomos y de fuerzas elásticas que los enlazan.
En cada una de dichas vibraciones moleculares, todos los núcleos se desplazan
simultáneamente de su posición de equilibrio hasta alcanzar un máximo en su
desplazamiento, después de este punto el desplazamiento es en la dirección opuesta,
pasando de nuevo por la posición de equilibrio, y así repitiéndose lo anterior sucesivamente.
La frecuencia de vibración representa el número de veces por segundo que toma un
átomo en volver a pasar por la misma posición, la referencia normalmente se hace al punto
de equilibrio. La energía de estas vibraciones se encuentra cuantizadas, en el sentido de que
solo determinados valores de la misma son posibles, valores que se obtienen en las
soluciones de la ecuación de Schrödinger para el sistema vibratorio.
El espectro infrarrojo de un compuesto puede dar importante información acerca de
su naturaleza química y de su estructura. Más comúnmente, el espectro de infrarrojo es
obtenido midiendo la absorción de radiación, aunque también es usada la emisión y la
reflexión. La espectroscopia del infrarrojo es muy útil para moléculas poli-atómicas
inorgánicas y para compuestos organicos-metalicos, como ejemplo el compuesto Glicina
Nitrato de Sodio.
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La región infrarrojo del espectro electromagnético se considera generalmente en el
rango de longitud de onda de los 775 nm hasta los 1000 µm; siendo el correspondiente en el
rango de número de onda de 12,900 cm-1 a 10 cm-1. Esta región frecuentemente dividida en
tres subregiones (figura 2.1). La región del infrarrojo cercano (cercano al visible) que se
extiende de los 775 nm a los 2.5 µm (12,900 cm-1 a 4,000 cm-1), el infrarrojo mediano de los
2.5 µm hasta 50 µm (4,000 cm-1 a 200 cm-1), y el infrarrojo lejano de 50 µm a 1000 µm (200
cm-1 a 10 cm-1) [7].
Figura 2.1. Espectro electromagnético
Casi todas las moléculas absorben radiación infrarroja, siendo las excepciones las
moléculas diatómicas como el O2, H2, N2. El espectro de infrarrojo de una molécula
poliatómica puede ser muy complejo debido a la gran variedad de vibraciones posibles,
sobretonos y bandas de combinación. Sin embargo, las bandas de absorción en el infrarrojo
son muy características de ciertos grupos funcionales dado esto se puede decir que cada
compuesto tiene su ―huella dactilar‖ y es por lo tanto altamente útil en la identificación de los
compuestos, aunque es considerablemente más difícil trabajar con alta precisión y exactitud
con el infrarrojo que con los métodos de ultravioleta-visible, ya que la no linealidad y
presencia de bandas de absorción traslapadas pueden ocasionar serios problemas en la
identificación de la absorción del infrarrojo.
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2.2
Frecuencias de grupo
Para ciertos grupos funcionales o estructurales, se ha encontrado que sus
frecuencias de vibración son casi independientes del resto de la molécula. Por ejemplo, la
vibración de estiramiento del grupo carbonilo en varios aldehídos y cetonas es casi siempre
observada en el rango de 1650 cm-1 a 1740 cm-1. Dichas frecuencias son características del
grupo funcional en cuestión y son conocidas como frecuencias de grupo (ver Tabla VI). La
presencia de varias vibraciones de grupo en el espectro de infrarrojo es de gran ayuda en la
identificación de la molécula absorbente. Para muchos grupos que involucran solo dos
átomos, la frecuencia aproximada de la vibración fundamental puede calcularse a partir del
modelo de oscilador armónico, tal y como se discutió anteriormente.
Para la mayoría de los grupos de interés, las frecuencias características de las
vibraciones de estiramiento deben caer en la región de 4000 a 1000. En la práctica, la región
de los 4000 a 1300 es llamada región de las frecuencias de grupo. En la figura 2.2 da las
localizaciones aproximadas de varias vibraciones de grupo en el espectro del infrarrojo. En la
región de los 1300 a los 4000, las frecuencias vibracionales son afectadas por la molécula
entera, como se observa por los amplios rangos para las absorciones de grupo. Ya que la
absorción en esta región de las huellas digitales es característica de toda la molécula, esta
región tiene un amplio uso para propósitos de identificación por comparación con
colecciones de espectros.
2.2. Frecuencias vibracionales para algunos enlaces
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La frecuencia de la vibración depende de las masas de los átomos y de la rigidez del
enlace. Los átomos más pesados vibran más lentamente que los más ligeros; por ejemplo,
un enlace entre el carbono y el deuterio, C—D, tiene una frecuencia característica más baja
que un enlace C—H. En un grupo de enlaces con energías de enlace similares, la frecuencia
disminuye al aumentar la masa atómica.
Los enlaces mas fuertes generalmente son más rígidos, requiriéndose más fuerza
para alárgalos o comprimirlos. Como consecuencia, los enlaces más fuertes generalmente
vibran más deprisa que los enlaces más débiles (suponiendo que los átomos tengan masas
similares). Por ejemplo, los enlaces O—H son más fuertes que los enlaces C—H, por lo que
los enlaces O—H vibran a frecuencias más altas.
La energía de un modo vibracional particular, puede ser influenciado por la presencia
de otras vibraciones que se dan en la molécula a través del acoplamiento de vibraciones. Un
acoplamiento fuerte puede ocurrir entre dos vibraciones de estiramiento, por ejemplo, si las
dos vibraciones tienen un átomo en común. La interacción también puede ocurrir entre dos
vibraciones de flexión con un enlace común entre los grupos. El acoplamiento es más fuerte
cuando las energías de las vibraciones por separado son aproximadamente iguales. Si los
grupos se encuentran separados por dos o más enlaces, el acoplamiento es mínimo o no se
lleva a cabo.
Como resultado del acoplamiento de vibraciones, la posición de la banda de
absorción no puede ser especificada exactamente. Aunque el acoplamiento conduce a
incertidumbre en las frecuencias vibracionales de los grupos, también hace que el espectro
de infrarrojo sea único para una molécula dada y es una de las razones principales para que
la espectrometría del infrarrojo sea tan valiosa en el análisis cualitativo.
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2.3
Modos de Vibración
Una molécula tiene grados de libertad en la misma cantidad que el total de grados de
libertad de sus átomos individuales. Cada átomo tiene 3 grados de libertad que
corresponden a las coordenadas cartesianas (x, y, z) necesarias para definir su posición
relativa a los otros átomos en la molécula. Una molécula de N átomos consecuentemente
tiene 3N grados de libertad. Para moléculas no lineales, tres de los grados de libertad
definen los movimientos de rotación, y tres los movimientos de traslación; el restante de 3N-6
grados de libertad que son los grados de libertad vibracionales o vibraciones fundamentales,
por ejemplo el agua tiene grados de libertad dado por 3(3)-6=3, por lo tanto tiene 3 modos
fundamentales de vibración, dos modos de tensión y uno de flexión (figura 2.3) [7].
Figura 2.3. Modos fundamentales de vibración del agua
Las moléculas lineales tienen 3N-5 grados de libertad que son los modos
fundamentales de vibración, ya que solamente se requiere de dos grados de libertad para
definir la rotación (figura 2.4).
Figura 2.4. Molécula lineal
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Las moléculas diatómicas simples tienen solamente un enlace, el cual se puede
estirar. Moléculas más complejas pueden tener muchos enlaces, y las vibraciones pueden
ser conjugadas, llevando a absorciones en el infrarrojo a frecuencias características que
pueden relacionarse a grupos funcionales. Las vibraciones fundamentales no implican un
cambio en el centro de gravedad de la molécula, hay dos clases de vibraciones
fundamentales para las moléculas [7].
1. Estiramiento: Durante el cual la distancia entre los átomos aumenta o disminuye con
cierta coordinación, pero los átomos permanecen en el mismo eje de enlace.
2. Flexión o Deformación: En el que la posición de los átomos varía en relación al eje de
enlace original, es decir, cambia el ángulo de enlace.
El modo vibración de estiramiento es denominado ―stretching‖ o estiramiento, existen
dos tipos de vibraciones de estiramiento para una molécula de más de dos átomos:
simétrico, en el cual dos enlaces se alargan o se contraen al mismo tiempo, y antisimétrico,
en el que un enlace se contrae y el otro se alarga:

Symmetrical stretching: (Se alargan y se contraen al mismo tiempo.)

Antisymmetrical stretching: (Se alargan y se contraen en tiempos diferentes.)
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El modo vibracional de flexión es denominado bend o flexión. Los grupos de una
molécula pueden vibrar en 2 flexiones en el plano y 2 flexiones fuera del plano:

Scissoring: (flexión simétrica en el plano) Tijera.

Rocking: (Flexión asimétrica en el plano): Balanceo, oscilación, vaivén o sacudida.

Wagging: (Flexión simétrica fuera del plano): Abanico, cabeceo.

Twisting: (Flexión asimétrica fuera del plano).
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