Relatório Físico Química Experimental

Introdução

Muitos compostos orgânicos ou inorgânicos que possuem ligações covalentes absorvem várias frequências de radiação eletromagnética na região do infravermelho do espectro eletromagnético. A figura 1 mostra o espectro eletromagnético que mostra a relação do infravermelho com outros tipos de radiação. O estudo da espectroscopia fundamenta-se na análise da quantidade de radiação produzida ou absorvida pelas moléculas.[1,2]

        Figura 1 - Espectro eletromagnético.

[pic 1]

Fonte:[1]        

A espectroscopia de infravermelho (IV) é uma técnica analítica que identifica qualitativamente, a presença de estruturas moleculares em uma amostra. Assim ao realizar uma análise utilizando essa técnica é possível identificar a amostra ou a existência de grupos químicos específicos presentes nela. A radiação do infravermelho faz com que átomos e grupos de átomos dos compostos vibrem com amplitude aumentada ao redor das ligações covalentes.[1]

Nessa espectroscopia, pode-se utilizar três regiões do IV que fornecem radiações com diferentes níveis de energia. Essas regiões o infravermelho distante (região de rotação), com número de onda na faixa de 50 μm à 1000 μm; o infravermelho médio (região de vibração-rotação), numa faixa de onda de 2,5 μm à 50 μm; e o infravermelho próximo (regiões das harmônicas), em uma faixa de onda de 0,78 μm à 2,5 μm. A região mais utilizada para a análise no IV é de 2,5 μm a 25 μm.[3]

A absorção no infravermelho é semelhante como ocorre em outros tipos de absorção (UV-Vis, micro-ondas e outras), quando as moléculas absorvem radiação infravermelho elas são excitadas para atingir um estado de maior energia. Os instrumentos de medida para região do IV são diferentes dos utilizados na região do UV-Vis. Porém o instrumento que obtém o espectro de absorção de um composto, tanto no IV quanto no UV-Vis, é chamado de espectrômetro ou espectrofotômetro. No infravermelho dois espectrômetro são mais usados: os espectrômetros de infravermelho dispersivos e os de transformada de Fourier (FT), representados pela figura 2.

Figura 2 - Diagramas esquemáticos de espectrofotômetros dispersivos (a) e de transformada de Fourier (b).[1]

[pic 2]

Ambos oferecem espectros em uma faixa comum de 4.000 a 400 cm-1. Os espectrômetros de FT produzem espectros mais rápidos que os espectrômetros dispersivos. O infravermelho dispersivos Figura 2(a) produz um feixe de radiação no infravermelho a partir de um resistor aquecido e, através de espelhos, divide-o em dois feixes paralelos de igual intensidade. A amostra é colocada em um feixe (cela da amostra), e no outro a referência. Os feixes chegam no monocromador que dispersa cada um em um espectro contínuo de frequência de luz infravermelha. O monocromador consiste em setor que gira rapidamente (cortado de feixes) onde passam os feixes de uma forma alternada em direção a uma rede de difração (prisma). A rede de difração gira lentamente variando a frequência ou o comprimento de onda da radiação que chega no detector do termopar. O detector sente a razão entre as intensidades dos feixes de referência e da amostra. Assim o detector determina quais frequência foram absorvidas pela amostra  e quais foram afetadas pela luz passando através da amostra. Depois de o sinal do detector ser amplificado, o registrado registrar o espectro resultante da amostra em uma folha de papel ou em um computador.[1]

Os espectrômetros mais modernos são diferentes do primeiros. O traçado do caminho óptico produz um padrão chamado interferograma, que é um sinal complexo, porém seu padrão em forma de ondas contém todas as frequências que formam o espectro infravermelho. Uma operação matemática conhecida como transformada de Fourier (FT) pode separar as frequências individualmente contida no interferograma, produzindo um espectro virtualmente idêntico ao obtido com um espectrômetro dispersivo. Esse instrumento é conhecido como espectrômetro de infravermelho de transformada de Fourier (IV-FT) demonstrado na Figura 2(b). A vantagem do IV-FT é que ele produz interferograma em menos de um segundo, assim podendo coletar dezenas de interferogramas da mesma amostra. Nesse processo obtém-se um espectro com um melhor sinal/ruído, pois ele é mais sensível que o dispersivo. Nesse instrumento, a energia da fonte atravessa um divisor de feixes, um espelho em 45° em a radiação que entra, separando-a em dois feixes perpendiculares, onde um segue na direção original e o outro é desviado a 90°. O feixe desviado vai para um espelho estacionário, e é refletido de volta para o divisor de feixes. O que não sofreu desvio vai para um espelho que se move e é refletido para o divisor de feixes. Assim eles se combinam e atravessam a amostra, no qual ela absorve de forma simultânea todos os comprimentos de ondas. Assim ajudam a descobrir quais moléculas estão presentes num determinado composto.[1]

Em uma molécula ocorre um movimento de translação homogêneo, ou seja, não alterar as posições relativas das partículas que a constituem. As distâncias internucleares e os ângulos entre as ligações vibram e a estrutura nuclear gira. O movimento resultante é denominado de roto-vibração. No infravermelho, os espectros têm origem nos diferentes movimentos roto-vibracionais das moléculas. Em comprimentos de onda inferior a 25 μm, a radiação tem energia suficiente para alterar os níveis de energia vibracional das moléculas e o processo é acompanhado por mudanças nos níveis de energia rotacional. A energia total de uma molécula pela seguinte equação.[1,4]

A energia de rotação de uma molécula diatômica em torno do seu centro de massa pode ser descrita pelo modelo roto rígido, como demonstrado na seguinte equação.[1]

[pic 3]

A inércia para o sistema roto rígido é representado pela seguinte equação.

[pic 4]

Os espectros puros das moléculas ocorrem na região do infravermelho distante, no caso de moléculas diatômicas simples, é possível calcular as frequências vibracionais da mesma tratando-a como um oscilador harmônico, em que um átomo se desloca de sua posição de equilíbrio com uma força proporcional ao deslocamento. A frequência de oscilador poder ser calculada pela equação.[1]

[pic 5]

        Quando uma molécula vibra, aplica-se uma regra de seleção, essa regra resulta da absorção ou da emissão de um quantum de radiação pela relação: Δv = ±1. Espectros vibracionais são determinados, comumente, por espectroscopia de absorção e, portanto, a única parte dessa regra que é pertinente é Δv = +1.[4]

A polaridade da molécula variar, a medida que ela vibra, isso pode acontece tanto para uma molécula diatômica homonuclear ou para uma diatômica heteronuclear. A regra para as moléculas diatômicas homonuclear é Δv = ±1, para as moléculas diatômicas heteronuclear espera-se uma linha ou banda de absorção única na região espectral infravermelha. A absorção da radiação IV quase sempre envolve a transição V=0 → 1 (banda fundamental). Se a molécula se comporta como um oscilador harmônico, então a transição V=1 → 2, banda quente (sua intensidade aumenta com o aumento da temperatura), ocorrerá na mesma frequência que a banda fundamental.[5,4]