Introducció a l’anàlisi espectroscòpic al Batxillerat

En l’actual currículum de Química 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.

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 es va 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 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 en la seva 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

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, 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 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, ultravioleta-visible i ressonància magnètic nuclear, s’utilitzen per a la identificació de l’estructura de compostos amb total seguretat.

23 comments

  1. Moltes gràcies per la feina feta!! La veritat és que el decret de batxillerat és molt ambigu respecte a quin ha de ser el nivell d’aprofundiment, i des de la coordinació de les PAU tampoc s’han volgut mullar massa donant detalls sobre què es el que esperen dels nostre alumnes..
    Recomanaré aquest blog!🙂

  2. Moltes gràcies, no sabia com atacar aquest tema fins que us he trobat. Els exemples que poseu són molt útils i complementen molt bé els problemes que hi ha en gencat.

  3. Vull donar-te les gràcies pel contingut d’aquest blog. M’ha estat de molta ajuda per a recopilar la informació de forma resumida sobre l’espectroscopia i poder preparar les classe ja que en els llibres de text.. res de res.

    • Me’n alegro que et sigui d’utilitat. Respecte als llibres de text, pot ser recordaràs que les editorials no van tenir gaire temps per refer-los quan es va produir l’últim canvi dels temaris i es van limitar a adaptar una mica els que ja tenien, de manera que no van incloure alguns canvis de continguts.

      Pot ser, més important és que els llibres de text no reflecteixen els canvis metodològics introduïts en els nous currículums de Física i de Química del batxillerat, com són una major preocupació pel context i pels aspectes experimentals de totes dues ciències.

      Les editorials van dir que, amb temps, refarien els seus llibres, però han passat més de dos anys i …. ja veus.

  4. Moltes gracies ,amb el contingut del teu bloc he acabat de completar els apunts que havia elaborat d’espectroscopia ,els exemples m’han resultat molt utils. Recomanare als meus alumnes el teu bloc.

  5. Hola Lorenzo,

    esta molt bé aquest bloc, ho faré servir per explicar l’espectroscopia als alumnes de 2n de batxillerat.
    Moltes gràcies
    Olga

  6. Moltes gràcies per posar a l’abast, d’un quasi ignorant com jo en aquest tema, una informació extens i útil.

  7. Moltes gràcies. He recomenat el teu bloc als alumnes de 2n de batxillerat, perquè el llibre de 2n no tracta el tema. Gràcies per la feina ben feta.

  8. Molt bona feina, encara que una mica extens per aquestes alçades de curs, per mi ha sigut molt didàctic. He fet un resum per els meus alumnes

  9. Em sumo als elogis que han fet tots els meus companys anteriorment. Has fet una feina excel·lent que fa molt entenedors uns conceptes que no son fàcils d’explicar i de fer entendre a alumnes de 2n de Batxillerat. Et felicito i t’agraeixo moltíssim aquesta síntesi tan didàctica que has fet.

  10. Hola Lorenzo,
    T’escric aquí perquè tinc un dubte amb una fórmula de Química. El nonbre d’ona, representat amb la k, com es calcula? És amb k = (2• pi) / longitud d’ona; la qual cosa et dóna rad / m. No obstant, si apliques k = 1 / longitud d’ona (fórmula que surt a la wiki), et dóna m-1 i així és com se’t pregunta al model B de les PAU de Química que has penjat anteriorment.

    Moltes gràcies una vegada més!!!!

    Anna

    • Hola Anna,

      No m’estranya que tinguis el dubte. És el resultat d’utilitzar el mateix nom per dos conceptes diferents, un en l’assignatura de física i una altre en la de química. Quan el professorat que dona les dues matèries és el mateix, se’n adona i l’explica, i si són diferents, cadascú explica la seva parcel•la creant-se la confusió.

      En física, en els moviments vibratoris i ondulatoris s’usa abreujadament nombre d’ona, quan s’hauria de dir nombre d’ona circular o nombre d’ona angular. En aquest cas, el nombre d’ona angular es representa amb la lletra k, i és igual a 2π/λ, sent la seva unitat cicles (dividit) per metre, o m-1.
      El seu interès radica en que les equacions se simplifiquen en substituir 2π/λ per k.

      En espectroscòpia (en física, en química, en fisicoquímica) s’usa el nombre d’ona (sense afegits) com l’invers de la longitud d’ona. Es representa amb la lletra nu (υ ̃) amb una titlla (~) a sobre i és υ ̃ = 1/λ, amb unitat l’invers del metre, m-1, o del centímetre, cm-1. (Aquí no he aconseguit que la lletra nu surti com és. Mira en l’enllaç de wikipedia).
      El seu ús està justificat també per una qüestió de comoditat ja que, per exemple en espectroscòpia infraroja, els números en nombre d’ona són fàcils d’escriure quan es fiquen en cm-1 (de 600 a 4000).

      Pots ampliar informació en wikipedia buscant per wavenumber, que és on millor l’expliquen (si l’anglès està fluix, mira en castellà).

      http://en.wikipedia.org/wiki/Wavenumber

      http://es.wikipedia.org/wiki/N%C3%BAmero_de_onda

  11. Moltes gràcies per compartir aquest material. Ha estat molt útil per tal d’explicar allò que en el currículum es deixava caure d’una manera tan vaga.
    Inma Cacho

Deixa un comentari

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

Esteu comentant fent servir el compte WordPress.com. Log Out / Canvia )

Twitter picture

Esteu comentant fent servir el compte Twitter. Log Out / Canvia )

Facebook photo

Esteu comentant fent servir el compte Facebook. Log Out / Canvia )

Google+ photo

Esteu comentant fent servir el compte Google+. Log Out / Canvia )

Connecting to %s