Teoria, Método e Usos da Espectroscopia Infravermelha

O espectroscopia de infravermelho É o estudo de como as moléculas absorvem a radiação infravermelha e finalmente a convertem em calor.

Este processo pode ser analisado de três maneiras: medição de absorção, emissão e reflexão. Essa precisão faz da espectroscopia de infravermelho uma das mais importantes técnicas analíticas disponíveis para os cientistas atualmente.

Uma das grandes vantagens da espectroscopia de infravermelho é que praticamente qualquer amostra pode ser estudada em quase todos os estados.

Líquidos, pós, filmes, soluções, pastas, fibras, gases e superfícies podem ser examinados com uma seleção criteriosa da técnica de amostragem. Como conseqüência da instrumentação aprimorada, várias novas técnicas sensíveis foram desenvolvidas para examinar amostras anteriormente intratáveis.

A espectroscopia no infravermelho, entre muitos outros usos e aplicações, é útil para medir o grau de polimerização na fabricação de polímeros. As alterações na quantidade ou no caráter de um determinado link são avaliadas pela medição de uma frequência específica ao longo do tempo.

Instrumentos de pesquisa modernos podem fazer medições de infravermelho ao longo do intervalo de interesse, tanto quanto 32 vezes por segundo.

Isso pode ser feito enquanto medições simultâneas são feitas usando outras técnicas, tornando as observações de reações químicas e processos mais rápidos e precisos.

Teoria da espectroscopia de infravermelho

Uma ferramenta inestimável na determinação e verificação de estruturas orgânicas envolve a classe de radiação eletromagnética (REM) com frequências entre 4000 e 400 cm-1 (números de onda).

A categoria de radiação eletromagnética é chamada de radiação infravermelha (IR) e sua aplicação à química orgânica conhecida como espectroscopia de infravermelho.

A radiação nesta região pode ser usada na determinação da estrutura orgânica, fazendo uso do fato de que é absorvida por ligações interatômicas em compostos orgânicos.

As ligações químicas em diferentes ambientes irão absorver intensidades variáveis ​​e freqüências variáveis. Portanto, a espectroscopia de IV envolve coletar a informação de absorção e analisá-la na forma de um espectro.

As frequências em que há absorções de radiação IR (picos ou sinais) podem ser diretamente correlacionadas com links dentro do composto em questão.

Como cada elo interatômico pode vibrar em vários movimentos diferentes (alongamento ou flexão), elos individuais podem absorver mais de uma frequência de infravermelho.

As absorções de estiramento tendem a produzir picos mais fortes que a flexão, no entanto, absorções flexurais mais fracas podem ser úteis para diferenciar tipos similares de ligações (por exemplo, substituição aromática).

Também é importante notar que as vibrações simétricas não causam absorção da radiação IR. Por exemplo, nenhuma das ligações de carbono-carbono de etileno ou etileno absorve radiação IR.

Métodos instrumentais de determinação da estrutura

Ressonância Magnética Nuclear (RMN)

Excitação do núcleo de átomos através de irradiação por radiofrequência. Ele fornece informações abrangentes sobre a estrutura molecular e conectividade dos átomos.

Espectroscopia de infravermelho (IR)

Consiste em disparar vibrações moleculares através da irradiação com luz infravermelha. Fornece principalmente informações sobre a presença ou ausência de determinados grupos funcionais.

Espectrometria de massa

Bombardeamento da amostra com elétrons e detecção de fragmentos moleculares resultantes. Ele fornece informações sobre a conectividade de massa molecular e átomos.

Espectroscopia ultravioleta (UV)

Promoção de elétrons em níveis mais altos de energia, irradiando a molécula com luz ultravioleta. Ele fornece informações sobre a presença de sistemas π conjugados e ligações duplas e triplas.

Espectroscopia

É o estudo da informação espectral. Após a irradiação com luz infravermelha, certas ligações respondem mais rapidamente por vibração. Essa resposta pode ser detectada e traduzida em uma representação visual chamada espectro.

Processo de interpretação de espectro

1. Reconheça um padrão.
2. Associe padrões a parâmetros físicos.
3. Identifique possíveis significados, isto é, proponha explicações.

Uma vez obtido um espectro, o principal desafio é extrair as informações contidas na forma abstrata ou oculta.

Isso requer o reconhecimento de certos padrões, a associação desses padrões com parâmetros físicos e a interpretação desses padrões em termos de explicações significativas e lógicas.

Espectro eletromagnético

A maioria das espectroscopias orgânicas usa energia eletromagnética, ou radiação, como um estímulo físico. A energia eletromagnética (como a luz visível) não possui um componente de massa detectável. Em outras palavras, pode ser chamado de "energia pura".

Outros tipos de radiação, como raios alfa, que consistem em núcleos de hélio, têm um componente de massa detectável e, portanto, não podem ser classificados como energia eletromagnética.

Os parâmetros importantes associados à radiação eletromagnética são:

• Energia (E): A energia é diretamente proporcional à frequência e inversamente proporcional ao comprimento de onda, conforme indicado na equação abaixo.

• Freqüência (μ)
• Comprimento de onda (λ)
• Equação: E = hμ

Modos vibracionais

• As ligações covalentes podem vibrar de várias maneiras, incluindo alongamento, balanço e tesoura.

• As bandas mais úteis em um espectro infravermelho correspondem a frequências de alongamento.

Transmissão vs. Absorção

Quando uma amostra química é exposta à ação de IR LIGHT (luz de radiação infravermelha), ela pode absorver algumas freqüências e transmitir o resto. Parte da luz também pode ser refletida de volta para a fonte.

O detector detecta as frequências transmitidas e, ao fazê-lo, também revela os valores das frequências absorvidas.

Um espectro de infravermelho no modo de absorção

O espectro de infravermelho é basicamente um gráfico de freqüências transmitidas (ou absorvidas) contra a intensidade da transmissão (ou absorção). As freqüências aparecem no eixo x em unidades de centímetros inversos (números de onda), e as intensidades são representadas no eixo y e em unidades percentuais. O gráfico mostra um espectro no modo de absorção:

Um espectro de infravermelho no modo de transmissão

O gráfico mostra um espectro no modo de transmissão. Esta é a representação mais comumente usada e encontrada na maioria dos livros de química e espectroscopia.

Usos e aplicativos

Como a espectroscopia de infravermelho é uma técnica confiável e simples, ela é amplamente utilizada em síntese orgânica, ciência de polímeros, engenharia petroquímica, indústria farmacêutica e análise de alimentos.

Além disso, como os espectrômetros FTIR podem ser higienizados por cromatografia, o mecanismo de reações químicas e a detecção de substâncias instáveis ​​podem ser investigados com esses instrumentos.

Alguns usos e aplicativos incluem:

Controles de qualidade

Ele é usado em controle de qualidade, medição dinâmica e aplicações de monitoramento, como a medição autônoma de longo prazo de concentrações de CO2 em estufas e câmaras de crescimento usando analisadores de gás infravermelho.

Análise forense

É usado na análise forense em casos criminais e civis, por exemplo, na identificação de degradação de polímeros. Ele pode ser usado para determinar o teor de álcool no sangue de um motorista suspeito de estar bêbado.

Análise de amostras sólidas sem a necessidade de cortar

Uma maneira útil de analisar amostras sólidas sem a necessidade de cortar é usar ATR ou espectroscopia de refletância total atenuada. Usando essa abordagem, as amostras são pressionadas contra a face de um único cristal. A radiação infravermelha passa através do cristal e só interage com a amostra na interface entre os dois materiais.

Análise e identificação de pigmentos

A espectroscopia de infravermelho tem sido usada com sucesso na análise e identificação de pigmentos em pinturas e outros objetos de arte, como manuscritos iluminados.

Uso na indústria alimentícia

Outra aplicação importante da Espectroscopia de Infravermelho está na indústria alimentícia para medir a concentração de vários compostos em diferentes produtos alimentícios.

Estudos de precisão

Com o aumento da tecnologia em filtragem de computadores e manipulação de resultados, as amostras em solução agora podem ser medidas com precisão. Alguns instrumentos também informam automaticamente qual substância está sendo medida a partir de uma loja de milhares de espectros de referência armazenados.

Testes de campo

Os instrumentos agora são pequenos e podem ser transportados, mesmo para uso em testes de campo.

Vazamentos de gás

A espectroscopia de infravermelho também é usada em dispositivos de detecção de vazamento de gás, como DP-IR e EyeCGAs. Esses dispositivos detectam vazamentos de gás hidrocarboneto no transporte de gás natural e bruto.

Use no espaço

A NASA usa um banco de dados muito atualizado, baseado em espectroscopia de infravermelho, para o rastreamento de hidrocarbonetos aromáticos policíclicos no universo.

Segundo os cientistas, mais de 20% do carbono no universo pode estar associado a hidrocarbonetos aromáticos policíclicos, possíveis materiais de partida para a formação da vida.

Os hidrocarbonetos aromáticos policíclicos parecem ter sido formados logo após o Big Bang. Eles estão espalhados por todo o universo e estão associados a novas estrelas e exoplanetas.

Referências

1. Nancy Birkner (2015). Toque da Mente. Como um espectrômetro FTIR opera. Retirado de: mindtouch.com.
2. Cortes (2006). Teoria e Interpretação do Espectro de IV. Pearson Prentice Hall. Retirado de: utdallas.edu.
3. Barbara Stuart (2004). Espectroscopia Infravermelha. Wiley Retirado de: kinetics.nsc.ru.
4. Wikipédia (2016). Espectroscopia de infravermelho. Wikipedia, a enciclopédia livre.Retirado de: en.wikipedia.org.