La espectroscopia infrarroja (IR) es una de las técnicas espectroscópicas más comunes y utilizadas, empleada principalmente por químicos inorgánicos y orgánicos debido a su utilidad para determinar las estructuras de los compuestos e identificarlos. Los compuestos químicos tienen propiedades químicas diferentes debido a la presencia de distintos grupos funcionales.
La espectroscopia infrarroja (IR) es una de las técnicas espectroscópicas más comunes y utilizadas. Los grupos absorbentes en la región infrarroja absorben dentro de una determinada región de longitud de onda. Los picos de absorción dentro de esta región suelen ser más agudos en comparación con los picos de absorción de las regiones ultravioleta y visible. De este modo, la espectroscopia IR puede ser muy sensible a la determinación de grupos funcionales dentro de una muestra, ya que cada grupo funcional absorbe una frecuencia particular diferente de radiación IR. Además, cada molécula tiene un espectro característico que suele denominarse huella dactilar. Una molécula puede identificarse comparando su pico de absorción con un banco de datos de espectros. La espectroscopia IR es muy útil en la identificación y el análisis de la estructura de una gran variedad de sustancias, incluidos los compuestos orgánicos e inorgánicos. También puede utilizarse para el análisis cualitativo y cuantitativo de mezclas complejas de compuestos similares.
¿Qué es el estiramiento simétrico y asimétrico?
En un estiramiento simétrico, los dos átomos de H van en la misma dirección. El momento dipolar del grupo cambia considerablemente porque ambos enlaces entran y salen al mismo tiempo. En un estiramiento asimétrico, van en direcciones opuestas.
¿Qué entiende por estiramiento simétrico?
Estiramiento simétrico: Vibración simultánea de dos enlaces, en la que los enlaces se alargan juntos y se contraen juntos.
¿Por qué el estiramiento asimétrico es superior al simétrico?
El estiramiento simétrico es una deformación más fácil que el estiramiento asimétrico, por lo que el estiramiento asimétrico se produce en un número de onda más alto. La vibración de flexión es mucho más fácil que el estiramiento, por lo que se produce en un número de onda mucho más bajo. El dióxido de carbono también presenta 2 vibraciones de estiramiento y 1 de flexión.
Los modos normales se utilizan para describir los diferentes movimientos vibratorios de las moléculas. Cada modo puede caracterizarse por un tipo diferente de movimiento y cada modo tiene una cierta simetría asociada. La teoría de grupos es una herramienta útil para determinar qué simetrías contienen los modos normales y predecir si estos modos son IR y/o Raman activos. En consecuencia, la espectroscopia IR y Raman se utiliza a menudo para los espectros vibracionales.
En general, un modo normal es un movimiento independiente de los átomos de una molécula que se produce sin causar movimiento a ninguno de los otros modos. Como su nombre indica, los modos normales son ortogonales entre sí. Para discutir las ecuaciones cuántico-mecánicas que gobiernan las vibraciones moleculares es conveniente convertir las coordenadas cartesianas en las llamadas coordenadas normales. Las vibraciones en las moléculas poliatómicas se representan mediante estas coordenadas normales.
Existe un hecho importante sobre las coordenadas normales. Cada una de estas coordenadas pertenece a una representación irreducible del punto de la molécula investigada. Las funciones de onda vibracional asociadas a los niveles de energía vibracional también comparten esta propiedad. Las coordenadas normales y la función de onda vibracional pueden clasificarse además según el grupo de puntos al que pertenezcan. A partir de la tabla de caracteres pueden hacerse predicciones sobre las simetrías que pueden existir. La representación irreducible ofrece información sobre la actividad IR y/o Raman de la molécula en cuestión.
Vibración de estiramiento simétrica
La radiación infrarroja es la energía adecuada para excitar las vibraciones en las moléculas. El espectro IR consta de las regiones cercana (4.000-12.800 cm-1), media (200-4.000 cm-1) y lejana (10-200 cm-1). La región media del IR es la más utilizada para el análisis. Las excitaciones vibracionales corresponden a cambios en las distancias internucleares dentro de las moléculas. Es probable que haya registrado espectros infrarrojos en su curso de química orgánica. Recuerde el instrumento que utilizó para registrar el espectro y plantéese la siguiente pregunta.
Pensando en el instrumento que utilizó en su curso de química orgánica, es de suponer que se dio cuenta de que no se intentó eliminar el aire del sistema. El haz de radiación infrarroja atravesó el aire, lo que indica que los principales constituyentes del aire (nitrógeno gaseoso, N2, y oxígeno como, O2) o bien no absorben la radiación infrarroja o bien absorben en otra región del espectro. Es probable que sepas que los enlaces dobles y triples tienen fuertes absorciones en la región del infrarrojo medio del espectro. El N2 y el O2 tienen enlaces triples y dobles, respectivamente, por lo que resulta que el N2 y el O2 no absorben radiación infrarroja. Sin duda, hay componentes menores del aire (por ejemplo, el dióxido de carbono) que sí absorben la radiación infrarroja, y éstos se tienen en cuenta utilizando una configuración de doble haz en un espectrofotómetro infrarrojo de onda continua o registrando un espectro de fondo en un espectrofotómetro infrarrojo por transformada de Fourier.
Vibraciones de flexión
La radiación en la región infrarroja (IR) del espectro electromagnético tiene la energía necesaria para excitar las vibraciones de los enlaces covalentes. La absorción de la radiación IR provoca el estiramiento y la flexión de los enlaces. Los estiramientos corresponden al aumento y disminución de los enlaces dentro de una molécula. Las curvaturas corresponden al aumento y la disminución del ángulo entre los enlaces de una molécula. Las siguientes animaciones muestran las posibles vibraciones de la molécula de H2O. Hay 3 vibraciones: dos estiramientos y una flexión. Son posibles 2 estiramientos, ya que los 2 enlaces O-H pueden vibrar sincronizados (“simétricos”) o desincronizados (“asimétricos”). Las 3 vibraciones requieren diferentes cantidades de energía, por lo que la molécula de agua absorbe la radiación IR en 3 longitudes de onda diferentes.
A continuación se muestran las vibraciones de la molécula de CO2. En cuanto al H2O, existen 3 vibraciones: 2 estiramientos y 1 flexión. Aunque cada enlace C=O del CO2 es polar, su forma lineal significa que la molécula en su conjunto no posee un momento dipolar. Durante el estiramiento y la flexión asimétricos, se pierde la simetría y se crea momentáneamente un dipolo. Es posible excitar estas 2 vibraciones con radiación IR. Sin embargo, durante el estiramiento simétrico no se crea ningún momento dipolar, por lo que la radiación IR no puede excitar esta vibración. Por tanto, el CO2 sólo absorbe 2 longitudes de onda en el IR. La diferencia entre el número de absorciones en el espectro IR del H2O y del CO2 es consecuencia de la diferencia en sus formas (curvada y lineal respectivamente). Uno de los usos de la espectroscopia IR es ayudar a determinar la forma. Las moléculas orgánicas, sin embargo, tienden a ser grandes y asimétricas y la mayoría de las vibraciones cambian el momento dipolar y pueden ser excitadas por la radiación IR.
