Teoria spectroscopiei infraroșii, metoda și utilizările

spectroscopia cu infrarosu Este studiul modului în care moleculele absorb radiația infraroșie și o convertesc în căldură.

Acest proces poate fi analizat în trei moduri: măsurarea absorbției, emisiei și reflexiei. Această precizie face ca spectroscopia în infraroșu să fie una dintre cele mai importante tehnici analitice disponibile astăzi oamenilor de știință.

Unul dintre marile avantaje ale spectroscopiei în infraroșu este că aproape orice eșantion poate fi studiat în aproape toate statele.

Lichidele, pulberile, filmele, soluțiile, pastele, fibrele, gazele și suprafețele pot fi examinate cu o selecție judicioasă a tehnicii de eșantionare. Ca o consecință a instrumentelor îmbunătățite, au fost acum dezvoltate o serie de noi tehnici sensibile pentru a examina eșantioane care nu puteau fi detectate anterior.

Spectroscopia cu spectru infraroșu, printre multe alte utilizări și aplicații, este utilă pentru măsurarea gradului de polimerizare în producția de polimeri. Modificările în cantitatea sau caracterul unei anumite legături sunt evaluate prin măsurarea unei anumite frecvențe în timp.

Instrumentele moderne de cercetare pot lua măsurători în infraroșu în întreaga gamă de interese de câte ori de 32 de ori pe secundă.

Acest lucru se poate face în timp ce măsurătorile simultane se fac prin alte tehnici, făcând observațiile reacțiilor și proceselor chimice mai rapide și mai exacte.

Teoria spectroscopiei în infraroșu

Un instrument inestimabil în determinarea și verificarea structurilor organice implică clasa de radiații electromagnetice (REM) cu frecvențe cuprinse între 4000 și 400 cm-1 (numere de undă).

Categoria de radiații EM se numește radiație infraroșie (IR) și aplicarea sa la chimia organică cunoscută sub numele de spectroscopia IR.

Radiația din această regiune poate fi utilizată pentru determinarea structurii organice, utilizându-se faptul că aceasta este absorbită de legăturile interatomice în compușii organici.

Legăturile chimice în medii diferite vor absorbi intensitățile variabile și frecvențele variabile. Prin urmare, spectroscopia IR implică colectarea informațiilor de absorbție și analizarea acesteia sub forma unui spectru.

Frecvențele în care există absorbția radiației IR (vârfuri sau semnale) pot fi corelate direct cu legăturile din cadrul compusului în cauză.

Deoarece fiecare legătură interatomică poate vibra în mai multe mișcări diferite (întindere sau îndoire), legăturile individuale pot absorbi mai mult de o frecvență IR.

Absorbțiile de întindere au tendința de a produce vârfuri mai puternice decât flexia, totuși, absorbția flexurală mai slabă poate fi utilă pentru a diferenția tipuri similare de legături (de exemplu substituția aromatică).

De asemenea, este important de observat că vibrațiile simetrice nu determină absorbția radiației IR. De exemplu, nici unul dintre legăturile carbon-carbon de etilenă sau etilenă nu absoarbe radiațiile IR.

Instrumente metodice de determinare a structurii

Rezonanța magnetică nucleară (RMN)

Excizia nucleului atomilor prin iradierea prin radiofrecvență. Oferă informații ample despre structura moleculară și conectivitatea atomilor.

Spectroscopia în infraroșu (IR)

Se compune din arderea vibrațiilor moleculare prin iradierea cu lumină infraroșie. Oferă în principal informații despre prezența sau absența anumitor grupuri funcționale.

Spectrometria de masă

Bombardarea probei cu electroni și detectarea fragmentelor moleculare rezultate. Acesta oferă informații despre conectivitatea masei moleculare și a atomilor.

Spectroscopia ultraviolet (UV)

Promovarea electronilor la niveluri energetice mai mari prin iradierea moleculei cu lumină ultravioletă. Acesta oferă informații despre prezența sistemelor p conjugate și a legăturilor duble și triple.

spectroscopie

Este studiul informațiilor spectrale. După iradierea cu lumină infraroșie, anumite legături răspund mai repede la vibrații. Acest răspuns poate fi detectat și tradus într-o reprezentare vizuală numită spectru.

Interpretarea spectrului

1. Recunoașteți un model.
2. Asociați modele cu parametri fizici.
3. Identificați posibilele semnificații, adică să propuneți explicații.

Odată ce un spectru este obținut, principala provocare este extragerea informațiilor pe care le conține în formă abstractă sau ascunsă.

Aceasta necesită recunoașterea anumitor tipare, asocierea acestor modele cu parametrii fizici și interpretarea acestor tipare în termeni de explicații semnificative și logice.

Spectru electromagnetic

Majoritatea spectroscopiei organice folosesc energia electromagnetică, sau radiația, ca stimul fizic. Energia electromagnetică (cum ar fi lumina vizibilă) nu are o componentă de masă detectabilă. Cu alte cuvinte, se poate numi "energie pură".

Alte tipuri de radiații, cum ar fi razele alfa, care constau în nuclee de heliu, au o componentă de masă detectabilă și, prin urmare, nu pot fi clasificate drept energie electromagnetică.

Parametrii importanți asociați cu radiațiile electromagnetice sunt:

• Energie (E): Energia este direct proporțională cu frecvența și invers proporțională cu lungimea de undă, așa cum este indicat în ecuația de mai jos.

• Frecvența (μ)
• Lungimea de undă (λ)
• Ecuația: E = hμ

Moduri vibrationale

• Legăturile covalenți pot vibra în mai multe moduri, inclusiv întinderea, balansarea și foarfecele.

• Benzile cele mai utile dintr-un spectru infraroșu corespund frecvențelor de întindere.

Transmisie vs. absorbție

Atunci când o probă chimică este expusă acțiunii IR LIGHT (lumină infraroșie), aceasta poate absorbi anumite frecvențe și poate transmite restul. O parte din lumină poate fi reflectată și înapoi la sursă.

Detectorul detectează frecvențele transmise și, în acest fel, dezvăluie și valorile frecvențelor absorbite.

Un spectru IR în modul de absorbție

Spectrul IR este în esență un grafic al frecvențelor transmise (sau absorbite) în funcție de intensitatea transmisiei (sau de absorbție). Frecvențele apar pe axa x în unități de centimetri inversați (valori de undă), iar intensitățile sunt reprezentate pe axa y și în unități procentuale. Graficul prezintă un spectru în modul de absorbție:

Un spectru IR în modul de transmisie

Graficul arată un spectru în modul de transmisie. Aceasta este reprezentarea cea mai frecvent utilizată și cea găsită în cele mai multe cărți de chimie și spectroscopie.

Utilizări și aplicații

Spectroscopia infraroșie este o tehnică fiabilă și simplă, fiind utilizată pe scară largă în sinteza organică, știința polimerilor, ingineria petrochimică, industria farmaceutică și analiza alimentelor.

În plus, deoarece spectrometrele FTIR pot fi dezinfectate prin cromatografie, mecanismele reacțiilor chimice și detectarea substanțelor instabile pot fi investigate cu astfel de instrumente.

Unele utilizări și aplicații includ:

Controlul calității

Se utilizează în controlul calității, în aplicații de măsurare și monitorizare dinamice, cum ar fi măsurarea nesupravegheată pe termen lung a concentrațiilor de CO2 în sere și camere de creștere utilizând analizoare de gaze infraroșii.

Analiză criminalistică

Este utilizat în analiza criminalistică în cazurile penale și civile, de exemplu în identificarea degradării polimerului. Acesta poate fi folosit pentru a determina conținutul de alcool din sânge al unui conducător auto suspectat de a fi beat.

Analiza probelor solide fără a fi necesară tăierea

O modalitate utilă de a analiza probe solide fără a fi necesar să se taie este utilizarea spectroscopiei ATR sau a atenuării totale a spectroscopiei de reflexie. Folosind această abordare, probele sunt presate pe fața unui singur cristal. Radiația infraroșie trece prin cristal și interacționează numai cu eșantionul la interfața dintre cele două materiale.

Analiza și identificarea pigmenților

Spectroscopia IR a fost utilizată cu succes în analiza și identificarea pigmenților din tablouri și alte obiecte de artă, cum ar fi manuscrisele iluminate.

Utilizarea în industria alimentară

O altă aplicație importantă a spectroscopiei în infraroșu este în industria alimentară pentru a măsura concentrația de compuși diferiți în diferite produse alimentare.

Studii de precizie

Odată cu creșterea tehnologiei în filtrarea computerizată și manipularea rezultatelor, probele din soluție pot fi acum măsurate cu exactitate. Unele instrumente vă vor spune automat și ce substanță se măsoară dintr-un magazin de mii de spectre de referință stocate.

Teste pe teren

Instrumentele sunt acum mici și pot fi transportate chiar și pentru a fi utilizate în teste pe teren.

Scurgerile de gaze

Spectroscopia cu raze infraroșii este de asemenea utilizată în dispozitivele de detectare a scurgerilor de gaz, cum ar fi DP-IR și EyeCGA. Aceste dispozitive detectează scurgeri de gaze de hidrocarburi în transportul gazelor naturale și brute.

Utilizați în spațiu

NASA utilizează o bază de date foarte actualizată, bazată pe spectroscopie în infraroșu, pentru urmărirea hidrocarburilor aromatice policiclice din univers.

Potrivit oamenilor de știință, mai mult de 20% din carbonul din univers poate fi asociat cu hidrocarburi aromatice policiclice, posibile materii prime pentru formarea vieții.

Hidrocarburile aromatice policiclice par să fi fost formate la scurt timp după Big Bang. Ele sunt larg răspândite în univers și sunt asociate cu noi stele și exoplanetă.

referințe

1. Nancy Birkner (2015). Atingeți mintea. Cum funcționează un spectrometru FTIR. Adus de la: mindtouch.com.
2. Cortes (2006). Teoria și interpretarea spectrelor IR. Sala Pearson Prentice. Adus de la: utdallas.edu.
3. Barbara Stuart (2004). Spectroscopia în infraroșu. Wiley. Adus de la: kinetics.nsc.ru.
4. Wikipedia (2016). Spectroscopia în infraroșu. Wikipedia, enciclopedia gratuită.Adus de la: en.wikipedia.org.