[0:00]Saludos cordiales, estimados estudiantes. Vamos a partir con un nuevo tema en nuestro curso de análisis instrumental. Ahora nos vamos a dedicar a explicar las partes fundamentales que nos permiten caracterizar moléculas orgánicas mediante su interacción con la energía en la región del infrarrojo. La espectroscopia infrarroja, entonces, es una técnica que estudia la absorción de radiación en la región del espectro electromagnético correspondiente al infrarrojo. Como nosotros sabemos, esta absorción se va a dar en diferentes intensidades y las intensidades deben caracterizarse por ciertos parámetros, que pueden ser la longitud de onda, que en esta, en esta región del espectro se mide en micrones, ¿sí?, porque es más grande que la del ultravioleta visible, es una longitud de onda mayor. Y más fácilmente se puede expresar como número de onda, ¿sí? La ventaja de expresar la intensidad de la absorción como número de onda, es que el número de onda es proporcional a la energía. Si nosotros recordamos, la energía es igual a la constante de Planck, por la velocidad de la luz y dividido para la longitud de onda. Entonces, como el número de onda es 1 sobre longitud de onda, resulta ser que el número de onda es directamente proporcional a la energía, ¿sí? A veces también me van a escuchar caracterizar las intensidades de la radiación infrarroja como frecuencias y muchas veces pueden decir, ah, la profesora se está equivocando. No es tan así, a pesar de que técnicamente no es correcto, el número de onda también puede ser asociado a la frecuencia, dado que si el número de onda es inversamente proporcional a la longitud de onda, así mismo, en esta expresión que estamos viendo, deducida de la relación de la velocidad de la luz, la frecuencia es inversamente proporcional a la longitud de onda. Por consiguiente, es válido relacionar estos dos parámetros. La región del espectro infrarrojo puede ser dividida en tres subregiones, ¿sí? En la cual la vamos a llamar el infrarrojo cercano, una región que va de 12,500 a 4,000, a 4,000, perdón, centímetros a la menos uno. El infrarrojo medio de 4,000 a 200 cm a la menos uno, y el infrarrojo lejano de 670 a 50 cm a la menos uno. Cada una de estas regiones tiene utilidades particulares, ¿sí? Nosotros nos vamos a enfocar en la región más utilizada, que es la que corresponde al infrarrojo medio de 4,000 a 670 cm a la menos uno, porque en esta región absorben la mayoría, si no todas las moléculas orgánicas. En cambio, la región del infrarrojo cercano, por ejemplo, sirve para caracterizar materiales. Muchos de ustedes van a estar interesados después, por ejemplo, en nanotecnología y van a ver que esta región se utiliza mucho para estas aplicaciones. Pero el infrarrojo medio es muy versátil y nos permite obtener imágenes gráficos que son como las huellas digitales de los compuestos orgánicos. Ya vamos a ver cómo sucede este fenómeno, ¿sí? Entonces, nosotros sabemos que en esta región del infrarrojo medio los fotones tienen energías bajas. Estas energías van de uno a 15 kilocalorías por mol, por consiguiente estas energías tan bajas no van a poder generar saltos de niveles de energía basales a energías superiores, es decir, no generan transiciones electrónicas, sin embargo, lo que hacen es generar vibraciones a nivel molecular. Para imaginar una vibración de una molécula, nosotros podemos visualizar a los átomos como esferas de diferentes masas, obviamente, y a los enlaces covalentes como resortes. Entonces, la, el input de energía va a provocar estas vibraciones, ¿sí? Que son características de los enlaces y de los grupos funcionales de las moléculas. Entonces, estos movimientos vibratorios nos van a, a dar lugar a una, eh, interacción que genera un espectro, que se conoce como espectro vibracional rotacional, dado que estos dos movimientos se inducen en las moléculas, ¿sí? Y este espectro es característico de cada una de las moléculas orgánicas. Como les decía, se trata como una especie de huella digital, ¿sí? Cómo nosotros logramos obtener un espectro infrarrojo. Necesitamos, obviamente, un equipo que tiene muchos componentes similares al del equipo ultravioleta visible, pero obviamente van a variar ciertas características que vamos a revisar a continuación. Por ejemplo, la fuente de energía, obviamente, tiene que generar energía en la región del infrarrojo, no es cierto, la fuente de energía va a pasar a un divisor de luz. En este caso, todos los equipos de infrarrojos son doble haz, porque van a a dividir la mitad de la radiación, va a una celda de referencia, y la otra a una celda que contiene la muestra, ¿sí? Luego tenemos otros componentes como atenuadores y peines, no es cierto, luego se combinan nuevamente estos dos haces de luz y por interferencia destructiva van a pasar a un sistema de detectores y amplificadores hasta que se obtiene este gráfico, en el cual cada una de estas bandas caracteriza a grupos funcionales de moléculas. Vamos a ver explicaciones más detalladas, ¿sí? La fuente de radiación, nosotros sabemos, no es del tipo de la espectroscopia ultravioleta visible, sino más bien, son filamentos incandescentes que generan eh, la temperatura que se, que se traduce después en la radiación infrarroja. Generan la temperatura suficiente para dar lugar al fenómeno de radiación infrarroja, y como ya dijimos, esta radiación se divide en dos haces de igual intensidad por un separador de haz. Tenemos dos celdas, una celda que contiene la muestra y otra que contiene la referencia, ¿sí? Entonces, evidentemente, la condición para estas dos celdas es que el material no absorba la energía en la región infrarroja. En este caso, el vidrio y el cuarzo no nos sirven absolutamente, porque son capaces de absorber una gran cantidad de energía en el infrarrojo. Aquí, los materiales que nos sirven son sales halógenas como el, cloruro de sodio, bromuro de potasio, bromuro de sodio y cloruro de potasio, ¿sí? Todas estas sales son capaces en cambio de dejar pasar el 100% de la radiación en el infrarrojo. Luego vienen los componentes ópticos, como pueden ser el atenuador y el peine, ¿sí? La luz de la celda de referencia pasa a través del atenuador y la luz de muestra atraviesa el peine. Después, las dos luces pueden ser reflejadas al monocromador con la ayuda de algunos espejos. Entonces el fotómetro combina los haces de luz en un solo haz de segmentos alternante.
[7:22]El peine balancea los dos haces. Ya sabemos nosotros que eh papel juega un monocromador, ¿verdad? Un monocromador tiene la función de nuevamente descomponer la radiación en todas sus frecuencias, y en este caso, el monocromador tiene la característica de girar, ¿sí? Y permitir justamente que cada una de las frecuencias vaya en forma individual al detector, ¿sí? Esto es importante, porque así el detector va a poder ir caracterizando las frecuencias en relación a los grupos funcionales o a los enlaces que tiene la molécula. Evidentemente, es necesario que estas energías capturadas por el detector sean amplificadas, ¿verdad? Para esto, nosotros sabemos que los amplificadores de los infrarrojos son de tipo termocupla, porque la energía se percibe en forma de calor. Y así mismo, la diferencia de corriente de, perdón, de temperatura, va a convertirse por fenómenos eléctricos en corriente, ¿verdad? Y la corriente, obviamente, fluye del detector al amplificador, donde ya en la magnitud correspondiente, llega a un registro, ¿sí? Los espectros infrarrojos son gráficos que están haciendo un plot entre la longitud de onda o el número de onda de la radiación absorbida, contra la intensidad de absorción, que puede expresarse en términos de absorbancia o porcentaje de transmitancia. Normalmente, los químicos estamos más acostumbrados en ver espectros infrarrojos que relacionan el número de onda versus la transmitancia, ¿sí? Pero también se puede plotear en función de la absorbancia. Los equipos de espectroscopia infrarroja son muy versátiles, pueden trabajar con sustancias en estado gaseoso, líquidos puros, soluciones y en estado sólido, ¿sí? En el caso de tener interés nosotros de caracterizar compuestos en fase de vapor, por ejemplo, si hacemos análisis ambientales, necesitamos un equipo que tenga una celda característica para el efecto. Y estas celdas, como ya sabemos, deben, deben tener eh, componentes de cloruro de sodio, que generalmente son las paredes laterales, ¿sí? Que permiten que la radiación atraviese una celda normalmente más grande, porque tiene que tener más cantidad de muestra para que el espectro sea significativo, ¿sí? Yo les cuento, yo solamente he trabajado con líquidos y sólidos, nunca he trabajado con infrarrojos en fase de vapor. Así que este gráfico que estoy señalando en este momento, es el que se utilizaba en las tecnologías más antiguas. Nosotros colocábamos, por ejemplo, una gota de una sustancia pura entre dos platos de cloruro de sodio y se armaba con este sistema una celda sándwich y esta se colocaba en el equipo. En el caso de tener un sólido puro, este sólido debía ser disgregado en un material, así mismo, que permite el paso de la radiación, como por ejemplo, una sal, bromuro de potasio, químicamente puro, ¿sí? Se disgregaba en un mortero de ágata, un mortero de un material muy duro, se hacía una mezcla muy cuidadosa del sólido con el con el bromuro de potasio y se hacía una pastilla utilizando una prensa. Entonces, ¿cuánto tiempo nos tomaba esto? Bastante tiempo, ¿sí? Ahora los equipos, fíjense, eh, que nosotros tenemos, por ejemplo, este equipo nosotros lo tenemos a disposición en el laboratorio de instrumental, al cual, Dios quiera, vamos a volver muy pronto. Y aquí en este equipo es un equipo ya de nueva generación, lo bueno es que tiene un portamuestras que no necesita eh, preparar pastillas, sino que se puede colocar directamente el sólido, ¿verdad? Y obtener el espectro infrarrojo, ¿sí? Entonces, nosotros vamos a ver con más calma este tipo de de prácticas ya con videos y con una práctica virtual. Ahora, ¿qué sucede cuando una molécula es irradiada con energía en la región del infrarrojo? Evidentemente, hay cambios en niveles de energía, no tan fuertes como en espectroscopia ultravioleta que generaba cambios en los electrones de valencia. Sino que más bien, aquí lo que sucede son transiciones en los niveles de energía vibracionales y rotacionales de la molécula, ¿sí? Entonces, obviamente, estas energías rotacionales y vibracionales se incrementan, ¿sí? Y generalmente cuando coincide la energía característica de un enlace o de un grupo funcional con la energía que viene irradiándose desde la fuente de radiación, la respuesta que se genera es una banda, ¿sí? Es una banda que se ubica a frecuencias específicas, ¿okay? Entonces, los químicos orgánicos, sobre todo, estamos interesados en la región de 4,000 a 670 cm a la menos uno, porque aquí generan los eh bandas específicas los grupos funcionales de los compuestos orgánicos. Entonces, como yo ya les dije, aquí hay que imaginarse que, por ejemplo, yo tengo un carbono unido a un hidrógeno y el enlace es un resorte. Entonces, nosotros hemos jugado con resortes, ¿verdad? Los movimientos que se pueden hacer a un resorte normalmente es estirarle, ¿sí? O deformarle, ¿verdad? Esos son los dos movimientos clásicos que hacemos con un resorte. Estos mismos movimientos son los que sufren las moléculas al ser irradiadas con energía infrarroja. Entonces, nosotros podemos estirar el enlace, ¿sí? Cambiar la distancia de enlace, o podemos flexionarlo, y lo que hacemos aquí es cambiar el ángulo de enlace. Entonces aquí están los típicos modos vibratorios.
[13:25]Obviamente, las moléculas no van a vibrar aleatoriamente, sino que van a tener movimientos vibratorios específicos, y de hecho, están en dos grupos, ¿sí? Cuando cambian las distancias de enlace, estas vibraciones se dan en vibraciones de estiramiento, y vamos a imaginarnos que el átomo central, ¿sí? Va a ser como el centro, valga la redundancia de este movimiento, y los otros van a generar estiramientos específicos. Puede ser, por ejemplo, que los estiramientos sean simétricos, ¿sí? De esta manera, ¿okay? O puede ser que un átomo salga primero y el otro después. Entonces, esto es lo que caracteriza a los dos tipos de movimientos, simétricos cuando los átomos salen en la misma dirección, y asimétricos cuando salen en direcciones alternadas, ¿sí? En cambio, las deformaciones, corresponden las vibraciones de deformaciones, corresponden a cambios en el ángulo de enlace, los cuales pueden ser en el plano y fuera del plano, ¿sí? Cuando se da en el plano, yo puedo obtener vibraciones de tijereteo, ¿sí? O de balanceo, ¿okay? En cambio, si yo tengo fuera del plano, puedo tener aleteos, ¿sí? O deformaciones de este tipo, ¿okay? Entonces, con esto nosotros logramos tener este resultado, un espectro con bandas características para cada uno de los grupos funcionales de una molécula. Yo les agradezco mucho su atención y estaremos en contacto para más explicaciones.
