Introducció a l’anàlisi espectroscòpic al Batxillerat

A l’actual currículum de Química (2022) del segon curs del batxillerat es considera que, a més dels continguts clàssics d’anàlisi químic, s’han de tractar alguns dels mètodes espectroscòpics més emprats en els laboratoris.

“Utilització de dades de diverses tècniques espectroscòpiques (UV, IR, RMN, espectrometria de masses) en la identificació de substàncies d’interès i rellevància en la vida quotidiana i qüestions sociocientífiques d’actualitat. Explicació de les bases del seu funcionament”

Són tècniques i metodologies analítiques que es venen utilitzant abastament en els laboratoris de recerca i industrials des de fa mol temps. La espectroscòpia IR i UV-visible es van començar a utilitzar en els anys 40 del segle passat, la RMN ja s’emprava amb naturalitat als anys 70 i els primers espectrògrafs de masses comercials són dels anys 40. (Daniel J. Pasto i Carl R. Johnson, 1981, Determinación de estructuras orgánicas. Editorial Reverté).

Aquestes pàgines del bloc intenten ajudar l’alumnat de segon de batxillerat en l’estudi, comprensió i resolució de qüestions d’anàlisi espectroscòpic. Com es pot veure al final de cada pàgina, s’admeten comentaris i preguntes.

Radiació electromagnètica

La llum visible, infraroja, ultraviolada, les microones i les ones de ràdio són exemples de radiació electromagnètica. Totes aquestes radiacions es mouen a la velocitat de la llum (c = 3×10⁸ m/s), ja que són llum, però es diferencien en la seva freqüència i longitud d’ona.

Recordem que la freqüència d’una ona és el nombre de cicles ondulatoris que passen per un punt fix en un segon. La freqüència, representada per la lletra grega ν (nu) es mesura generalment en herzs.

La longitud d’ona és la distància entre dos pics (o dues valls) consecutius d’una ona, es representa per la lletra grega λ (lambda) i es mesura en metres. La longitud d’ona i la freqüència són inversament proporcionals i es relacionen mitjançant l’equació següent:  λ· ν = c, on C és la velocitat de la llum.

Una altra forma de descriure la freqüència de la radiació electromagnètica molt utilitzada (sobre tot en l’espectroscòpia infraroja) és el número d’ona, n, que es mesura en cm^-1. Aquesta unitat es refereix al nombre d’ones que s’encabeixen en 1 cm:  n = 1/ λ

L’espectre electromagnètic és el rang de totes les freqüències possibles, i va des de les freqüències de ràdio més baixes, fins a les altíssimes freqüències dels raigs gamma. La figura següent mostra les relacions entre la freqüència i la longitud d’ona de les diferents parts de l’espectre electromagnètic, que és un espectre continu (les posicions exactes de les línies divisòries entre les distintes regions són arbitràries). En la part esquerra de l’espectre es troben les freqüències més altes, per tant, les longituds d’ona més curtes i energies més altes. Cap a la part dreta es troben les freqüències més baixes, per tant, les longituds d’ona més llargues i energies més baixes.

Interacció de la radiació electromagnètica i les molècules.

Les ones electromagnètiques viatgen com a paquets d’energia sense massa (fotons). L’energia d’un fotó és directament proporcional a la seva freqüència i inversament proporcional a la seva longitud d’ona, és a dir:  E = h·ν = h·c/λ, on h és la constant de Planck. En certes condicions quan un fotó xoca amb una molècula, aquesta pot absorbir l’energia de la radiació, produint-se un augment de l’energia de la molècula en una quantitat igual a l’energia del fotó. Així:

• Les freqüències en el rang ultravioleta-visible exciten els electrons a nivells d’energia superiors dins de les molècules.
• Les freqüències infraroges provoquen canvis en els estats de vibració molecular i les energies de microones provoquen canvis rotacionals.
• Les freqüències d’ona de ràdio provoquen transicions en el spin nuclear, que són les que s’observen en l’espectroscòpia de Ressonància Magnètica Nuclear (RMN).

Aquestes interaccions entre radiació i energies de les molècules són les que s’aprofiten per l’anàlisi estructural dels compostos, ja que són característiques de cada molècula concreta. Així, l’espectroscòpia és una tècnica analítica experimental, molt usada en química i en física. Es basa en detectar l’absorció o emissió de radiació electromagnètica de certes energies, i relacionar aquestes energies amb els nivells d’energia implicats en transicions quàntiques de la substància a detectar. D’aquesta manera, es poden fer anàlisis quantitatius o qualitatius d’una enorme varietat de substàncies, aprofitant la capacitat d’emetre o absorbir la radiació d’una determinada longitud d’ona que presenten aquestes, o algun producte format a partir d’elles.

Les tècniques espectroscòpiques es classifiquen segons la relació entre la radiació i la substància detectada en molts diversos tipus. En concret, he preparat materials per ajudar a l’estudi de  l’espectroscòpia infraroja , l’ultraviolada-visible i l’espectroscòpia de RMN. L’espectrometria de masses no té res a veure amb aquestes interaccions entre radiacions i matèria, però també es representa en forma d’espectre i també l’estudiarem.

L’espectre de masses, junt amb dades químiques, físiques i informació procedent dels espectres d’infraroig, ultraviolada-visible i ressonància magnètic nuclear, s’utilitzen per a la identificació de l’estructura de compostos amb total seguretat.