La región del infrarrojo (IR) del espectro abarca la radiación con números de ondas comprendidos entre 12.800 y los 10 cm-1, que corresponde a longitudes de onda de 0,78, 1.000 μm. Tanto desde el punto de vista de las aplicaciones como de la instrumentación, es conveniente dividir el espectro IR en tres regiones denominadas infrarrojo cercano, medio y lejano. Las técnicas de las aplicaciones de los métodos basados en cada una de estas regiones difieren considerablemente.

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Espectrometría en el infrarrojo (IR)
#MicroClasesDeCastro / Agosto, 2021 / Por: José Luis Castro Soto
Introducción
La región del infrarrojo (IR) del espectro abarca la radiación con números de ondas comprendidos entre 12.800 y los 10 cm-1,
que corresponde a longitudes de onda de 0,78, 1.000 μm. Tanto desde el punto de vista de las aplicaciones como de la
instrumentación, es conveniente dividir el espectro IR en tres regiones denominadas infrarrojo cercano, medio y lejano. Las
técnicas de las aplicaciones de los métodos basados en cada una de estas regiones difieren considerablemente.
(Mayor energía) (Menor energía)
Las aplicaciones de
espectrometría IR se dividen en
tres grandes categorías
relacionadas con las tres
regiones espectrales del IR.
Es la porción del espectro electromagnético entre las
microondas y la luz visible. Las unidades más comúnmente
empleadas en la espectroscopia de IR son el micrómetro
(μm = 10-6 m) y el número de onda (cm-1).
Esta unidad estudiaremos la técnica de análisis de
espectrometría por absorción en el infrarrojo para la
identificación de compuestos orgánicos a través de
espectros de absorción.
Infrarrojo cercano (SIR)
Comprendida entre los 0,78 y 2,5 μm
(12800 a 4000 cm-1). Es útil en la
determinación cuantitativa de
compuestos de bajo peso molecular,
como agua, dióxido de carbono,
azufre, hidrocarburos, entre otros.
Infrarrojo medio (MIR)
Abarca la región desde los 2,5 y 50
μm (4000 a 200 cm-1). . Esta región,
se emplea para análisis cualitativos y
cuantitativos, por medio de
espectros de absorción, reflexión y
emisión.
Infrarrojo lejano (FIR)
Comprendida entre los 50 y 1.000 μm
(200 a 10 cm-1). . Su principal uso
consiste en la determinación de
estructuras inorgánicas y
órganometálica, basándose en las
medidas de absorción.
Absorción en el infrarrojo
Cuando un enlace entre dos átomos tiene cierta longitud, en realidad se establece una longitud promedio porque un enlace
se comporta como si fuese un resorte en vibración que conecta a dos átomos. Todas las moléculas tienen una cierta
cantidad de energía y están en movimiento vibracional constante. Es decir, sus enlaces se estiran y se contraen, los átomos
se mueven hacia adelante y atrás, entre otras vibraciones moleculares.
Interacción de la radiación con el momento dipolar de la molécula
Es de destacar, que la energía de la radiación infrarroja excita las
transiciones vibracionales y rotacionales, pero no es lo
suficientemente energética para producir transiciones electrónicas
que se dan con la radiación UV, Vis, y de Rx.
Cuando se irradia un compuesto con un haz de radiación
electromagnética con una longitud de onda apropiada (hv), la
energía (fotones) se absorbe por los enlaces de la molécula, y si la
frecuencia de la radiación coincide con la frecuencia de la vibración,
el resultado de esta absorción es una amplitud incrementada por la
vibración, excitando las transiciones vibracionales y rotacionales a
niveles superiores. En otras palabras, el “resorte” que conecta los
dos átomos se estira y se contrae un poco más.
Por otro lado, al irradiar una muestra con energía a diferentes
longitudes de onda y, dado que cada frecuencia absorbida por cada
tipo de enlace en una molécula corresponde a un movimiento
molecular específico, el interpretar estos movimientos podemos
determinar qué tipos de grupo funcional están presentes en la
molécula objeto de estudio.
Si la frecuencia de la radiación coincide con la frecuencia de
vibración de la molécula, se produce un cambio de la amplitud de la
vibración molecular producto de absorción de la radiación, lo que se
evidenciará como una señal característica en el espectrograma.
Por ejemplo
El formaldehído (H2CO) tiene un enlace C=O fuertemente polar
(grupo carbonilo), y el dióxido de carbono (CO2) tiene dos. Es de
esperar que el CO2 tuviera un gran momento dipolar, pero en
realidad es cero. La simetría de la molécula explica este resultado.
Mapa de potencial electrostático (MPE) y
Polaridad de enlace. (Wade, 2011).
Observen las estructuras del H2CO y del CO2, junto con sus Mapas
de Potencial Electrostático (MPE). Estos mapas muestran los
momentos dipolares (con rojo; extremos negativos y azul; extremos
positivos de los dipolos. En el CO2, los momentos dipolares están
orientados en direcciones opuestas, por lo que se cancelan entre sí.
Simétrica
(Symmetrical
stretching
Asimétrica
(Asymmetrical
stretching)
Giratoria en el plano
o balanceo en el
plano (Roking)
De tijera en el plano
o tijereteo en el
plano (Scissoring)
Aleteo fuera del
plano o cabeceo
(Wagging)
Torsión fuera del
plano (Twisting)
Vibraciones de estiramiento,
alargamiento o tensión (Stretching)
Vibraciones de flexión (Bending)
1. La molécula debe poseer un
momento dipolar significativo
(molécula polar). Es decir, una
distribución asimétrica de sus
cargas eléctricas (dipolo). El
momento dipolar se determina por
la magnitud de la diferencia de
carga y por la distancia entre los
dos centros de carga, moléculas
no polares, no absorben en el IR
y moléculas poco polares
producen absorciones débiles.
2. La frecuencia de la radiación debe
coincidir con la frecuencia de
vibración natural de movimiento
de la molécula. Así, hay una
transferencia neta de energía que
origina un cambio en la amplitud
de la vibración molecular; en
consecuencia se absorbe la
radiación. Análogamente, la
rotación alrededor de los centros
de masa, produce una variación
que interacciona con la radiación.
3. La molécula debe sufrir un cambio
neto en el momento dipolar,
consecuencia de su movimiento
de vibración o de rotación, lo que
origina un campo que puede
interaccionar con el campo
eléctrico asociado a la radiación.
Sólo en estas circunstancias, el
campo eléctrico alterno de la
radiación puede interaccionar con
la molécula, y provocando
cambios en sus movimientos.
Tipos de vibraciones moleculares
Las posiciones relativas de los átomos en una molécula no son exactamente fijas, sino que fluctúan continuamente como
consecuencia de una multitud de tipos de vibraciones y rotaciones diferentes alrededor de los enlaces en la molécula. Para
una molécula sencilla diatómica o triatómica es fácil definir el número y la naturaleza de tales vibraciones, y relacionarlas con
las energías de absorción. Sin embargo, en el caso de moléculas poliatómicas se hace difícil, si no imposible, un análisis de
esta clase, no sólo a causa del gran número de centros de vibración que presentan las moléculas grandes, sino también por
las interacciones que aparecen entre algunos de estos centros y que se deben tener en cuenta.
Se caracterizan, por un cambio en el ángulo entre dos enlaces, no hay cambios en
su longitud. Los modos de aleteo (Wagging) y torsión (Twisting), tienen lugar fuera
del plano y suelen ser representarse por “Oop”.
Supone cambios continuo en la
distancia interatómica a lo largo del
eje del enlace entre dos átomos
Referencias Bibliográficas
Rizzotto, M. (2007). Diccionario de Química General e Inorgánica. Rosario, Argentina: Corpus Editorial y Distribuidora.
Rubinson, K., & Rubinson, J. (2001). Análisis Instrumental. Madrid, España: Pearson Educación.
Skoog, D., James, F., & Nieman, T. (2001). Principios de Análisis Instrumental (Quinta ed.). Madrid, España: McGraw Hill.
Wade, L. (2011). Química Orgánica (Séptima ed., Vol. I). Naucalpan de Juárez, México: Pearson Educación de México, S.A.
de C.V.
Por otro lado, en moléculas con más de dos átomos, son posibles todos los tipos de vibraciones. Además, pueden producirse
una interacción o acoplamiento de las vibraciones si éstas involucran enlaces con un mismo átomo central.
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José Luis Castro Soto @MicroClasesDeCastro
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Siendo la región más utilizada del espectro IR, la comprendida entre los 2,5 a 15 μm , es decir, entre los 4000 a 670 cm-1.