[0:00]Saludos, estimados estudiantes. En esta lección vamos a continuar analizando las características de la espectroscopia infrarroja que permiten su aplicación tanto en el aspecto cualitativo como cuantitativo del análisis químico.
[0:16]Recordemos entonces que nosotros habíamos establecido ya que la radiación infrarroja tiene la energía adecuada para desarrollar transiciones entre niveles de energía vibracionales.
[0:29]Un modelo que es muy útil para describir este sistema, al menos para oscilaciones pequeñas es el oscilador armónico. Se trata de un peso colgado de un resorte.
[0:48]Cuando el peso se desplaza de su posición de equilibrio, el resorte ejerce una fuerza para retornarlo a su posición original. Así, el peso oscila cerca de la posición de equilibrio.
[1:00]Esto nos hace pensar que evidentemente la frecuencia de la oscilación va a estar dependiendo de dos factores: la fuerza que va a estar expresada por una constante de fuerza, dependiendo del tipo de moléculas que están constituyendo el enlace, y la masa de las mismas.
[1:22]En este cuadro nosotros podemos apreciar que existe diferentes tipos de enlaces diatómicos constituidos por diferentes átomos. Está la frecuencia a la cual deberíamos observar las vibraciones con los números de onda correspondientes, la constante de fuerza en Newtons por metro y la fuerza de enlace de la molécula.
[1:44]Asimismo, nosotros vemos que existen diferencias dependiendo si se trata de enlaces simples, dobles o triples.
[1:52]Nosotros sabemos que los enlaces simples son más susceptibles de romperse, son más débiles, ¿verdad? Y justamente las constantes de fuerza son más bajas, asociadas así mismo a sus fuerzas de enlace.
[2:04]Cuando tenemos enlaces dobles o triples se incrementan las fuerzas de estos enlaces y así mismo también su constante de fuerza.
[2:11]Y todo esto está asociado a la frecuencia a la cual nosotros observaríamos señales de estos enlaces en el la región del infrarrojo. Okay.
[2:21]Nosotros podemos hacer un cálculo teórico para aproximarnos al número de onda en el cual se dan las vibraciones de moléculas diatómicas, haciendo este cálculo.
[2:32]El número de onda de una vibración vendría dado por uno sobre dos pi por la velocidad de la luz en centímetro por segundo, multiplicado por la constante de fuerza dividido por la masa reducida de las moléculas.
[2:51]Si nosotros vemos, la masa reducida está calculada por la multiplicación de las masas de los dos átomos que constituyen el enlace, dividido para la sumatoria de las masas. Aquí es necesario hacer la transformación del peso atómico de gramos por mol a unidades de masa correspondientes.
[3:15]Para moléculas diatómicas, nosotros podemos establecer justamente el comportamiento de las mismas mediante un el ejemplo del resorte.
[3:25]Pero nosotros ya vimos en la clase pasada que las vibraciones que se dan entre más de dos átomos pueden obedecer a cualquiera de este tipo de modos, ¿sí?
[3:38]Pueden haber vibraciones que involucren cambio en la distancia de enlace, es decir, estiramientos, estiramientos simétricos, como el que vemos aquí, en el cual los dos átomos se mueven en la misma dirección en relación del átomo central.
[3:52]El estiramiento asimétrico en cambio, los átomos se miden, se, perdón, se mueven en modos opuestos en relación al átomo central, aquí hay cambio en la distancia de enlace, y aquí tenemos en cambio las vibraciones de flexión que involucran cambios en el ángulo de enlace.
[4:09]Tenemos las vibraciones en el plano, ¿sí? que son el tijereteo y el balanceo, en estos existe el cambio de enlace, pero en el plano, y aquí tenemos en cambio las vibraciones fuera del plano que son el aleteo y la torsión, ¿sí?
[4:25]Entonces, si nosotros pudiéramos ver una molécula poliatómica, vibrando en todas estas posibilidades, definitivamente sería un espectáculo bastante complicado de entender.
[4:39]Sin embargo, todos estos movimientos pueden resolverse en una serie de modos vibratorios que se conocen como modos normales, ¿sí?
[4:47]Y estos modos normales se generan si es que la molécula recibe radiación electromagnética asociada a frecuencias propias de cada uno de los enlaces y de las vibraciones correspondientes.
[5:01]Asimismo, nosotros podemos hacer un cálculo que nos permite predecir cuántos modos vibratorios van a existir en una molécula.
[5:08]Para esto, nosotros debemos discriminar entre moléculas que, que tienen geometría lineal que como nosotros sabemos la geometría lineal indica un ángulo de enlace de 180 grados, ¿sí? O una molécula que tenga geometrías diferentes a la lineal.
[5:23]Si una molécula es lineal, el número de modos vibratorios va a ser tres por N menos cinco.
[5:30]En cambio, para una molécula de geometría diferente a la lineal, el número de modos vibratorios se calcula por tres por N menos seis, siendo N el número de átomos que constituyen la molécula.
[5:41]Por ejemplo, para el monóxido de carbono, que es una molécula lineal y que tiene dos átomos, el número de modos vibratorios van a ser tres por dos, seis, ¿verdad?, menos cinco, nos calcula entonces un modo vibratorio, que se muestra claramente en el espectro infrarrojo.
[5:54]Aquí tenemos una señal de estiramiento carbono oxígeno muy fuerte por sobre los 2000 centímetros a la menos uno.
[6:05]Okay.
[6:08]Vamos a calcular el número de modos vibratorios para una molécula como el dióxido de azufre, que nosotros sabemos que tiene una geometría angular, es decir, diferente a la lineal.
[6:21]Por consiguiente, utilizamos la fórmula para moléculas no lineales y como tiene tres átomos, tres por tres, nueve, menos seis, tiene tres modos vibratorios.
[6:31]Ahora bien, en el espectro infrarrojo del dióxido de azufre gaseoso, nosotros tenemos estas bandas que hemos, que las hemos resaltado en estas zonas llamadas zona uno, ¿sí?
[6:44]que son unas bandas que se conocen como bandas de vibración, perdón, de combinación o llamadas también sobretonos, que no son otra cosa justamente que la combinación de los diferentes modos normales, ¿sí?
[6:55]Entonces, estas, estas bandas no cuentan en el cálculo que acabamos de hacer.
[7:00]Los tres modos vibratorios normales son los que están marcados en en el espectro infrarrojo con los números dos, tres y cuatro.
[7:11]Esta señal fuerte es el estiramiento asimétrico del enlace azufre oxígeno, acompañada del correspondiente estiramiento simétrico del enlace.
[7:22]Y además, tiene una vibración de flexión por zonas alrededor de los 600 centímetros a la menos uno.
[7:32]Okay. Fíjense aquí nosotros tenemos claramente los tres modos normales que estamos prediciendo con nuestro cálculo.
[7:41]En el caso del formaldehído, aquí nosotros tenemos un match perfecto entre el cálculo y el espectro.
[7:47]El formaldehído tiene cuatro átomos, es una molécula no lineal, lo estamos viendo ahí en su estructura, por consiguiente el número de modos vibratorios que tiene esta molécula es seis, ¿sí?
[7:58]Y estos corresponden entonces a las seis señales que estamos viendo a continuación en el espectro.
[8:04]Tenemos el estiramiento asimétrico y simétrico del grupo CH2, tenemos, perdón, el estiramiento del grupo carbonilo y tenemos los cambios de ángulo de enlace, o sea, las flexiones de tijereteo, de balanceo, que son las flexiones en el plano y el aleteo, que es la flexión fuera del plano, ¿sí?
[8:27]Aquí hay que destacar una cosa importante.
[8:30]Nosotros nos fijamos en las imágenes anteriores que hay diferentes intensidades de las señales, ¿verdad?
[8:39]Algunas bandas son más intensas que otras, porque la fuerza de la absorción del infrarrojo está asociada también a la magnitud del cambio del momento dipolar entre los dos átomos durante la vibración.
[8:50]Y nosotros sabemos, eso lo hemos visto ya en química inorgánica, ¿verdad?, que entre dos átomos existen momento dipolar, justamente cuando existe diferencias entre la polaridad de los átomos, ¿verdad?
[9:03]A mayor cambio de momento dipolar, más fuerte será la absorción, ¿sí?
[9:07]Y definitivamente si una molécula, o sea, si entre dos átomos, perdón, no hay cambio en el momento dipolar, no existirá absorción de radiación infrarroja.
[9:17]En moléculas diatómicas como el oxígeno y el nitrógeno, no hay posibilidad de absorción de radiación infrarroja porque los dos átomos son iguales, por consiguiente el momento dipolar es cero.
[9:28]En cambio, si hay diferente polaridad, como en el caso del ácido clorhídrico o del monóxido de carbono, la diferencia de polaridad entre estos dos átomos hace que exista un momento dipolar y puedan absorber radiación, ¿sí?
[9:44]Bien. A medida que aumenta el número de átomos en una molécula, va a aumentar la complejidad de su espectro.
[9:52]Y si nosotros hacemos los cálculos que habíamos visto previamente, vamos a ver que se va a ir incrementando el número de modos vibratorios, a medida que aumenta justamente el número de átomos.
[10:04]Por ejemplo, en el clorobenceno, haciendo un cálculo utilizando justamente la fórmula para una molécula no lineal, tendríamos que esta molécula debería tener 30 modos vibratorios, ¿sí?
[10:16]Sin embargo, si nosotros vemos el espectro, ¿sí? vemos obviamente una serie de señales, pero no podríamos dedicarnos a contar de una en una hasta llegar a 30.
[10:27]Es más práctico, ¿sí? es más práctico no establecer que se trata de un pico por enlace, ¿sí?
[10:35]Sino que justamente identifiquemos ciertas zonas que nos permitan establecer la, las características de los enlaces de las moléculas, ¿sí?
[10:45]Por ejemplo, en esta zona que le hemos marcado con uno, vemos los enlaces que, perdón, la señal que corresponde al estiramiento carbono hidrógeno, ¿sí?
[10:55]La zona dos, esta zona de bandas, de enlace de absorción pequeño corresponde justamente a la zona llamada de sobretonos.
[11:06]Y como ya, al igual que las bandas de combinación, los sobretonos son resultado justamente de la interacción de las vibraciones entre sí, es decir, no se pueden asociar directamente a algunas, a algún enlace.
[11:20]Pero eh, las moléculas aromáticas, justamente por su forma de anillo, tienden a formar estos sobretonos y como tienen generalmente esta forma característica, cuando uno ve esta, esta forma en el espectro, estas bandas en el espectro, uno puede asociarlo ya directamente a moléculas aromáticas, ¿sí?
[11:40]La zona tres es debida a los estiramientos carbono carbono y la zona cuatro, bastante más compleja, es asociada justamente a los modos de flexión.
[11:53]Entonces, a pesar de que estamos simplificando mucho el análisis de este espectro, nosotros podemos decir que una de las características es que si yo tengo otro, otra molécula aromática monosustituida, voy a tener una forma muy similar.
[12:12]Se van a repetir estas bandas, ¿sí? Porque básicamente voy a tener los mismos enlaces y sobre todo va a tener la característica importante que es el anillo bencénico.
[12:24]Entonces, esto nos permite tener familias, digamos así, de espectros que nos ayudan a dilucidar estructuras similares, ¿sí?
[12:35]Y de hecho, para poder aproximar la estructura de un, de una molécula a su espectro infrarrojo o viceversa, nosotros tenemos que las eh, bandas debidas a estiramientos o a flexiones de enlace, se dan a frecuencias específicas.
[12:53]Por ejemplo, en este esquema vemos que el estiramiento OH, como habíamos dicho ya, no es una banda aguda, sino más bien una banda ancha que se da entre 3200 a 3400 centímetros a la menos uno, ¿sí?
[13:07]En cambio, los estiramientos carbono hidrógeno, que ya hemos visto en esta clase para algunas moléculas, son bandas agudas, ¿sí?
[13:14]Que de una absorción fuerte, que se dan entre los 2850 a 3100 centímetros a la menos uno, ¿sí?
[13:24]Para enlaces múltiples tenemos así mismo estiramientos a 2100, a 2200, de intensidad media, y para el grupo carbonilo tenemos un estiramiento característico, ¿sí?
[13:40]Sin desdoblamiento, es un estiramiento agudo de 1650 a 1800 centímetros a la menos uno.
[13:45]La zona de 500 a 1000 centímetros a la menos uno se llama la zona de las huellas digitales, donde se están dando generalmente las vibraciones de flexión, que como ya vimos pueden ser bastante complicadas y usualmente son difíciles de asociar a, a las, a las características de una molécula.
[14:03]Y la excepción de esta, digamos, de la utilidad de esta región son las bandas que permiten establecer justamente el patrón de sustitución de moléculas aromáticas, podemos saber si es que una molécula tiene sustitución orto, meta o para analizando las bandas de 680 a 860 centímetros a la menos uno.
[14:26]Entonces, como pueden ver, la absorción de estas moléculas va a estar asociada, la absorción infrarroja va a estar asociada a las diferentes bandas y a su posición en el espectro infrarrojo medio.
[14:37]Seguiremos analizando estas características en la siguiente clase. Muchas gracias por su atención.
