Universidad de Sonora
Laboratorio de Química Analítica II
Práctica #8 Espectroscopia de Infrarrojo
Sonora.
Objetivo 1. Conocer el funcionamiento y la operación del espectrofotómetro de infrarrojo de transformadas de Fourier (FTIR). 2. Identificar las señales de los grupos funcionales de un ácido carboxílico, un alcohol y del éster, producto de la reacción de los primeros dos.
Introducción La espectroscopia infrarroja es una herramienta valiosa para la elucidación de la estructura molecular, ya que permite conocer los principales grupos funcionales de un compuesto químico. Esta información se obtiene a partir del espectro de absorción de dicho compuesto, al someterlo a la acción de la radiación infrarroja en un espectrofotómetro. Existen dos tipos generales de espectrofotómetros de infrarrojo (IR). El de tipo dispersivo y el de transformada de Fourier (FTIR). El desarrollo de los equipos de FTIR representó un avance muy importante en esta técnica y hoy día casi todos lo espectrómetros de infrarrojo son de este tipo por su calidad y versatilidad.
Este instrumento está basado en el principio del interferómetro de Michelson, que funciona del siguiente modo: la radiación emitida por la fuente primero incide en un divisor o separador (beamsplitter) que divide el haz de luz en dos partes iguales. Estos dos haces de luz son enviados a dos espejos, uno dispuesto frente a la trayectoria del haz original (espejo móvil) y el otro perpendicular (espejo fijo); a su regreso (después de ser reflejados
por los espejos), ambos llegan de nuevo al divisor, recombinándose y presentando entonces el fenómeno de interferencia. Debido a que uno de los espejos está en movimiento, los dos haces viajan diferentes distancias y por lo tanto, el resultado de la interferencia cambia con el tiempo. En la trayectoria del haz de luz, producto de la interferencia, se coloca la muestra, la cual absorberá luz a ciertas frecuencias características; por lo tanto, esto modifica el patrón de interferencia. A continuación, el haz de luz llega al detector. La respuesta del detector produce un interferograma, que es una gráfica de la intensidad de la señal en función del tiempo. Dicho interferograma se convierte, mediante una operación matemática denominada transformada de Fourier, en una gráfica de intensidad en función de la frecuencia, de tal manera que finalmente obtenemos un espectro, con igual apariencia que el obtenido en los espectrofotómetros dispersivos. Una de las principales ventajas de los FTIR es su rapidez, ya que son instrumentos de pulso, es decir, la muestra recibe todas las longitudes de onda al mismo tiempo, en vez de hacer el barrido espectral, longitud de onda por longitud de onda, como en el caso de los instrumentos dispersivos. La espectrometría IR se basa en el hecho de que los enlaces químicos de las sustancias tienen frecuencias de vibración específicas, las cuales dependen básicamente de dos factores: la fuerza del enlace y las masas de los átomos que forman dicho enlace. Así, los diferentes tipos de enlace vibran a diferente frecuencia, por ejemplo, los enlaces C-H y C-O vibran a diferente frecuencia debido a la diferencia en las masas atómicas del H y el O; los enlaces C-O y C=O vibran a diferente frecuencia debido a la diferencia en la fuerza de enlace. Hay otro factor a considerar: si la molécula recibe radiación electromagnética de la misma energía a la que se encuentra vibrando, la radiación será absorbida, siempre y cuando cumpla con las reglas de selección. Una regla de selección importante es que para que una vibración se active a infrarrojo, la molécula debe cambiar su momento dipolar durante la vibración. A mayor cambio en el momento dipolar, mayor intensidad de la absorción; si no hay cambio en el momento dipolar no hay absorción.
Metodología Síntesis del éster benzoato de etilo:
1. En un tubo de ensayo de 18 x 150 mm mezclar 1 g de ácido benzoico y 3 mL de etanol. Posteriormente agregar cuidadosamente de cinco a seis gotas de ácido sulfúrico concentrado y cerrar el tubo (precaución: la reacción es exotérmica y el tubo puede calentarse, incluso la solución puede llegar a ebullición). 2. Colocar el tubo en un baño de agua hirviendo, durante cuarenta minutos. (Nota: si la mezcla de reacción empieza a burbujear, es probable que no esté cerrado herméticamente, retirar del baño y cerrar bien. Si se repite la situación, cambiar de tapón o asegurarse de reponer el volumen perdido con más etanol). 3. Transcurrido el tiempo de reacción, retirar y dejar enfriar (usar un baño de hielo). 4. Lavar dos veces con porciones de 5 mL de solución saturada de bicarbonato de sodio y lavar una tercera vez con 5 mL solución de cloruro de sodio al 25 %. (Nota: agitar suavemente para evitar que se formen emulsiones estables, que tardan mucho en separarse). 5. Secar la fase orgánica con unos gránulos de sulfato de sodio anhidro y transferir el producto seco a un tubo de ensayo de 13 x 100 mm con tapón de rosca limpio y seco. La fase acuosa puede ser eliminada vertiéndola al drenaje. 6. Reservar el producto de la reacción en un tubo bien cerrado para la siguiente práctica. Lectura del infrarrojo
1. Lavar el material que se va a utilizar con acetona al iniciar el trabajo y cada vez que se utilice la muestra. 2. Tomar lectura del blanco de referencia, ajustando el equipo en un intervalo de 400 a 4000 cm-1 y un número de barridos de dieciséis. 3. Tomar la lectura de infrarrojo, utilizando el blanco adecuado para cada caso.
a. Ácido benzoico: (i) preparar una pastilla mezclando aproximadamente de 10 a 20 mg de KBr con aproximadamente 0.1 mg de muestra. Con la ayuda de un mortero, formar un polvo muy fino. (ii) Colocar la mezcla en el molde para pastillas hasta que el fondo sea cubierto. (iii) Colocar el molde en una prensa y ejercer presión hasta formar la pastilla. b. Etanol y benzoato de etilo: colocar una gota de alcohol o de éster sintetizado en medio de las placas de NaCl de manera que se forme una película delgada.
Resultados
Cuestionario 1. ¿Cuáles son los modos en los que puede vibrar una molécula? Pueden distinguirse dos tipos básicos de vibraciones: de tensión y de flexión. Una vibración de tensión supone un cambio continuo en la distancia interatómica a lo largo del eje del enlace doble entre dos átomos. Las vibraciones de flexión se caracterizan por un cambio en el ángulo entre dos enlaces y son de cuatro tipos: de tijereteo, de balanceo, de aleteo y de torsión. Los átomos en un grupo CH 2, encontrado comúnmente en compuestos orgánicos pueden vibrar de seis formas distintas, estiramientos simétricos y asimétricos, flexiones simétricas y asimétricas en el plano (scissoring o tijereteo y rocking o balanceo, respectivamente), y flexiones simétricas y asimétricas fuera del plano (wagging o aleteo y twisting o torsión, respectivamente)
2. ¿Por qué nos interesa estudiar la parte media del espectro de IR?
Por que es la región de las “huellas dactilares”. Ha resultado útil para el estudio de
micro muestras cuando la absorción se reduce a una región muy limitada; de esta forma se puede obtener el espectro para partículas tan pequeñas como de 100 µm. Este método también se ha empleado para el estudio de especies transitorias que de otra forma requerirán un barrido de longitud de onda muy rápido. En este caso, la ventaja proviene del hecho de que se puede observar todo el espectro en forma simultánea. En pocas palabras ha mejorado la calidad de los espectros y minimizado el tiempo requerido para la obtención de datos.
3. ¿Por qué es necesario hacer los blancos de KBr y NaCl, si ninguno de estos compuestos absorbe en la región del espectro electromagnético de estudio? 4. ¿Por qué es necesario que el KBr y el ácido benzoico estén en forma de un polvo muy fino? 5. El equipo utilizado en esta práctica es un FTIR, esta clase de equipo presenta tres ventajas principales: Fellget, Jaquinot y Connes. Explique en qué consiste cada una de ellas.
Bibliografía
Velázquez E., Rocha F., Sugich R., Salazar A., Santacruz H., (2018), Química Analítica II Manual de Laboratorio, Universidad de Sonora, Unidad Regional Centro, p. 24 - 27. http://www3.uah.es/edejesus/resumenes/DECI/tema_2.pdf https://www.upct.es/~minaeees/espectroscopia_infrarroja.pdf /Universidad de Cartagena
