Espectroscopía UV, IR Y FTIR

Introducción

La Espectroscopia es una interacción de radiación electromagnética con la materia, con absorción o emisión de energía radiante. Lo que se mide es la respuesta de dicha materia, y la respuesta se convierte en una señal.

Las mediciones se llevan a cabo por ondas viajeras, tanto del campo eléctrico como del campo magnético, y dichas ondas se dan en forma oscilante. Así mismo, estas ondas denotan una energía, la cual se determina a través de longitudes de onda o de frecuencia.

Existen tres casos de interacción con la materia:

• Choque elástico: Existe sólo un cambio en el impulso de los fotones. Misma frecuencia (longitud de onda) que la luz incidente. Ejemplos: Rayos X, difracción de electrones y neutrones.

• Choque inelástico: Dentro de la inelástica existen dos tipos, una que tiene frecuencia más baja (longitud de onda mayor) y la que tiene frecuencia más alta (longitud de onda más corta) que la luz incidente. Como en el caso de la espectroscopia Raman, que también nos explicaron.

• Absorción o emisión resonante de fotones

Así mismo, el fotón es la partícula responsable de las manifestaciones de la radiación electromagnética. Se comporta como onda en fenómenos como la refracción, y se comporta como partícula cuando interactúa con la materia para transferir una cantidad fija de energía, que se expresa de la siguiente manera:

E fotón = hv

Donde: h = constante de Planck (6.62606896 x 10-34 J.s) y v = frecuencia de onda

Esta ecuación es conocida también como la ecuación básica de la espectroscopia.

Por medio de un espectrofotómetro se mide el espectro de la luz (intensidad de la luz absorbida, reflejada o emitida en función de la frecuencia o de la longitud de onda). El espectro es la distribución de la intensidad en función de la frecuencia o de la longitud de onda.

En la teoría del curso-taller, nos explicaron 3 tipos de espectroscopia: UV, IR y Raman. Los primeros dos son los que vimos en la práctica, ya que dichos equipos se encuentran en el laboratorio de la Universidad.

Espectroscopia Raman

La espectroscopia Raman es una técnica fotónica de alta resolución que proporciona en pocos segundos información química y estructural de casi cualquier material o compuesto orgánico y/o inorgánico, permitiendo así su identificación.

Se trata de una técnica de análisis que se realiza directamente sobre el material sin necesitar éste ningún tipo de preparación especial y que no conlleva ninguna alteración de la superficie sobre la que se realiza el análisis.

El análisis mediante espectroscopia Raman se basa en hacer incidir un haz de luz monocromática de frecuencia Vo sobre una muestra cuyas características moleculares se desean determinar, y examinar la luz dispersada por dicha muestra. La mayor parte de la luz dispersada presenta la misma frecuencia que la luz incidente, pero una fracción muy pequeña presenta un cambio en la frecuencia, resultando de la interacción de la luz con la materia. La luz que mantiene la misma frecuencia Vo que la luz incidente se conoce como dispersión Rayleigh y no aporta ninguna información sobre la composición de la muestra analizada. La luz dispersada que presenta frecuencias distintas a la a de la radiación incidente, es la que proporciona información sobre la composición molecular de la muestra y es la que se conoce como dispersión Raman.

Las variaciones de frecuencia observadas en el fenómeno dispersión Raman, son equivalentes a variaciones de energía.

Pueden ocurrir tres situaciones:

• Dispersión Rayleigh: Si el resultado de la interacción fotón-molécula es un fotón dispersado a la misma frecuencia que el fotón incidente, se dice que el choque es elástico, ya que ni el fotón ni la molécula sufren variaciones en su estado energético; la molécula vuelve al mismo nivel de energía que tenía antes del choque y el fotón dispersado tiene la misma frecuencia Vo que el incidente, dando lugar a la dispersión Rayleigh.

• Si el resultado de la interacción fotón-molécula es un fotón dispersado a una frecuencia distinta de la incidente, se dice que el choque es inelástico (existe transferencia de energía entre la molécula y el fotón); en este caso pueden darse dos fenómenos:

o Dispersión Raman Stokes: Si el fotón dispersado tiene una frecuencia menor a la del incidente, se produce una transferencia de energía del fotón a la molécula que, después de saltar al estado de energía no permitido, vuelve a uno permitido mayor al que tenía inicialmente; el fotón es dispersado con frecuencia Vo – V y se produce la dispersión Raman Stokes.

o Dispersión Raman Anti Stokes: Si el fotón dispersado tiene una frecuencia mayor a la del incidente, se produce una transferencia de energía de la molécula al fotón; esto significa que la molécula, inicialmente antes del choque se encontraba en un estado de mayor energía y después del choque pasa a su estado fundamental; el fotón es dispersado con frecuencia Vo + V y se produce la dispersión Raman Anti Stokes.

El espectro Raman recibe alguna o algunas de las situaciones presentadas arriba, y representa la intensidad óptica dispersada en función de la frecuencia V al que se produce. La frecuencia es inversamente proporcional a la longitud de onda (cm-1).

El espectro Raman está formado por una banda principal o Rayleigh y dos bandas secundarias correspondientes a las bandas Raman Stokes y anti Stokes, situadas simétricamente a ambos lados de la banda Rayleigh.

Espectroscopia Infrarrojo (IR)

Después del Raman, continuamos con la explicación de la teoría de la espectroscopia Infrarrojo (IR). Se caracteriza por sus longitudes de onda anchas (800-1,000,000 nm)y este rango se puede dividir en tres tipos de IR:

La espectroscopia infrarroja se basa en el hecho de que las moléculas tienen frecuencias a las cuales rotan y vibran; es decir, los movimientos de rotación y vibración moleculares tienen un tanto de nivel de energía. Para que un modo vibracional en una molécula sea activo al IR, debe estar asociada con cambios en el dipolo permanente. La frecuencia de las vibraciones puede ser asociada con un tipo particular de enlace, su fuerza y la masa atómica. 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 IR a frecuencias características que pueden relacionarse a grupos químicos.

Los átomos en un grupo CH2, encontrado comúnmente en compuestos orgánicos, pueden vibrar de seis formas distintas, como se muestra en el diagrama a continuación.

Esta técnica funciona exclusivamente

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