Spectro Master
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1MarMara a FontFont. Dpto. Qu. Dpto. Qumica Orgmica Orgnica y Farmacnica y Farmacutica. Universidad de Navarrautica. Universidad de Navarra
Tcnicas Espectroscpicas/XVII Master IDI
1
TTcnicas espectrosccnicas espectroscpicas picas en Quen Qumica Farmacmica Farmacutica utica
Dpto. QuDpto. Qumica Orgmica Orgnica y Farmacnica y Farmacuticautica
XVII Master en I+D+iXVII Master en I+D+iFacultad de FarmaciaFacultad de Farmacia
Universidad de NavarraUniversidad de Navarra
Mara Font
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Espectro electromagnEspectro electromagntico (I)tico (I)
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Espectro electromagnEspectro electromagntico (II)tico (II)
http://www.engormix.com/
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El espectro electromagntico (III)Frequencia ()Energa (E)
altaalta baja
baja
Long. onda ()corta larga
MicroondaInfrarrojorayosX
VacioUV
UV prximo
Visible InfrarrojoVibracin
Resonancia Magntica
Nuclear
Radio Frequencia
200 nm 400 nm 800 nm 2.5 15 1 m 5 m
azul rojo
rayos
0.1 nm
1019 Hz 1015 Hz 1013 Hz
190 nm 30 cm
1 x108 cm-1 0.002 cm-1400 cm-14000 cm-1
10 cm-1 3 cm-10.01 cm-1
1 mm
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Para qu empleamos este espectro electromagntico?
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RegiReginn TransiciTransicinn
Tipos de transiciones en cada regiTipos de transiciones en cada regin del espectro n del espectro electromagnelectromagnticotico
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TTcnicas espectrosccnicas espectroscpicaspicas radiacin excitacin
.3
30
300400-700
3000
3 x 106
3 x 109
1018
1016
10154-8 x 1014
1013
1011
108
rayos X
UV lejano
UV cercanovisible
infra-rojo
micro-ondas
ondas-radio
ruptura enlaces. e- innershell
e-
e- pipipipi y n
vibracin
rotacion y spin electrnico
excitacin spin nuclear
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Que es la Que es la espectroscopespectroscopaa??
Es el estudio de la estructura y dinmica de las molculas empleando
como herramientas la absorcin, emisin dispersin de la luz
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ClasificaciClasificacin de las tn de las tcnicas espectrosccnicas espectroscpicaspicas
pticas
no pticas
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Los mLos mtodos todos pticos en el anpticos en el anlisis de lisis de los flos frmacos y en el seguimiento de rmacos y en el seguimiento de
sus ssus sntesisntesis11. mtodos no espectroscpicos: basados en la interaccin entre radiaciones electromagnticas y la materia (cambio en la direccin o en las propiedades fsicas de una radiacin determinada, refraccin, reflexin, dispersin, difraccin o polarizacin)22. mtodos espectroscpicos: basados en las transiciones que se producen entre los diferentes estados energticos de tomos o las molculas como consecuencia de la interaccin con una radiacin de una determinada energa
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ClasificaciClasificacin de las tn de las tcnicas cnicas pticas espectroscpticas espectroscpicaspicas
* Tcnicas de absorcin (M + h M*)Basadas en la observacin de la atenuaciatenuacin de la radiacin de la radiacinn que tiene lugar como de la interaccin de dicha radiacin con la materia
* Tcnicas de emisin (M* M + h)Basadas en la radiacin emitida por la materia cuando es excitada mediante energas como la energa trmica, elctrica, etc. distintas de la radiacin electromagntica
* Tcnicas de fluorescencia (M* M + h)Basadas en la observacin de la radiacin emitida por la materia cuando es excitada por una radiacin electromagntica
1. En funcin de la interaccin de la radiacin con la materia
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espectroscopa de absorcin
Fuentepolicromtica
h
Monocromador Cumpartimentode muestra Detector
I0() IT()
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ClasificaciClasificacin de las tn de las tcnicas cnicas pticas espectroscpticas espectroscpicaspicas
2. En funcin de especie que interacciona
2.1. Tcnicas atmicasRadiacin interacciona con tomos Transiciones entre niveles electrnicos Espectros de lneas
(a) Transiciones entre capas externas UV-Visible (b) Transiciones entre capas internas Rayos X
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ClasificaciClasificacin de las tn de las tcnicas cnicas pticas espectroscpticas espectroscpicaspicas
2. En funcin de especie que interacciona2.2. Tcnicas moleculares
Radiacin interacciona con molculas Transiciones entre niveles electrnicos, rotacionales y vibracionales Espectros de bandas
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La luzLa luzEs un campo electromagntico, caracterizado por una frecuencia , una longitud de onda , relacionadas por la ecuacin = CC, y una polarizacin
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Onda de luz monocromOnda de luz monocromticatica: es un vector tiempo dependiente
E (t)= {EE (t)= {Exx(t), (t), EEyy (t), (t), EEzz(t)}(t)}Si se asume que la propagacin de la luz se produce en un eje concreto, entonces tendremos un plano de propagacin de la onda a lo largo de ese eje, en el que, por ejemplo:
EEzz(t) = 0(t) = 0MarMara a FontFont. Dpto. Qu. Dpto. Qumica Orgmica Orgnica y Farmacnica y Farmacutica. Universidad de Navarrautica. Universidad de Navarra
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La resultante del campo electromagntico de un haz de luz polarizada linealmente se dirige siempre en la misma direccin
Polarizacin de la luzlineal
circular
PolarizaciPolarizacin linealn lineal
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Si el haz se polariza de forma lineal, entonces el vector descriptor se dirige siempre a la misma direccin
PolarizaciPolarizacin linealn lineal
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Ejemplo: luz polarizada en el eje X, se describe por la ecuacin:
Ex = Eo sin[(2pipipipi/)(z-ct)]; Ey = 0
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Ejemplo: luz polarizada en el eje Y, se describe por la ecuacin:
Ex = 0; Ey = Eosin [(2pipipipi/)(z-ct)]
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El vector descriptor del campo electromagntico de un haz de luz polarizada circular traza un circulo y est formado por la superposicin de dos direcciones perpendiculares de luz polarizada linealmente.
PolarizaciPolarizacin circularn circular
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Ahora el vector no se orienta siempre hacia la misma direccin sino que con el tiempo traza una trayectoria, por ejemplo circular
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Dos tipos de polarizacin circular:
Izquierda:Ex (z,t) =Eosin [(2pi/)(z-ct)]Ey (z,t) =Eosin [(2pi/)(z-ct)+pi/2]
Derecha:Ex (z,t) =Eosin [(2pi/)(z-ct) +pi/2]Ey (z,t) =Eosin [(2pi/)(z-ct)]
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Dualidad OndaDualidad Onda--PartPartcula en cula en EspectroscopEspectroscopaa
fotfotnnSe considerar tanto el carcter
onda como partculaMarMara a FontFont. Dpto. Qu. Dpto. Qumica Orgmica Orgnica y Farmacnica y Farmacutica. Universidad de Navarrautica. Universidad de Navarra
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energa de un fotn
intensidad del haz
E = h = (hc)/
I = E02
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InteracciInteraccin entre el haz y la n entre el haz y la molmolculacula
absorciabsorcinn
emisiemisinn
dispersidispersinnhttp://www.engormix.com/
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Ley de Beer-Lambert: explicacin macroscpica cuantitativa de cuanto y como es absorbido un haz de luz por un sistema qumico
AbsorciAbsorcin de la luzn de la luz
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E = h = (hc)/
La energa de un fotn puede ser absorbida por una molcula, lo que hace que salte de un nivel energtico a otro
la energa es transferidatransferida del fotn a la molculaMarMara a FontFont. Dpto. Qu. Dpto. Qumica Orgmica Orgnica y Farmacnica y Farmacutica. Universidad de Navarrautica. Universidad de Navarra
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Considerando una muestra: con una concentracin C una anchura (camino) l
Considerando un haz: con una intensidad I una longitud de onda
Ley de Beer Lambert
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Consideremos una capa muy fina, con Consideremos una capa muy fina, con una anchura una anchura dxdx: el n: el nmero de mero de molmolculas que contiene esta capa serculas que contiene esta capa serproporcional a proporcional a CCdxdx
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la cantidad de luz absorbida serla cantidad de luz absorbida serproporcional a la cantidad de molproporcional a la cantidad de molculas culas
presentes en la trayectoria del hazpresentes en la trayectoria del haz
dI = -cdx I
cambio en la I porefecto de la capa fina
coeficiente deabsorcin
dII = -cdx
razn de cambiode la intensidad concentracin
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I0= intensidad inicial; If= intensidad final
If
I0
dII
= - cdx0
l
IIf f = I= I00 ee--ccley de ley de BeerBeer--LambertLambert
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AbsortividadAbsortividad
1. La intensidad decrece exponencialmente al crecer C2. La absorcin es una medida muy sensible de la concentracin
A = A = log log = = ccII00II
coeficiente de absorcin molar
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3. es independiente de I, C y pero depende de . . . . La funcin()))) est relacionada con el espectro de absorcin de la molcula
4. La ley de Beer-Lambert se basa en principios macroscpicos
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La luz puede ser absorbida por un sistema cuando la frecuencia de la misma est en resonancia con alguna frecuencia natural de ese sistema
TeorTeora de la absorcia de la absorcin de la luzn de la luz
frecuencias naturalesfrecuencias naturales
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Si un sistema tiene una frecuencia natural o, podrabsorber una fuerza con la misma frecuencia. Se podr dar una transferencia eficiente de energa entre esta fuerza incidente y el sistema
http://urbanity.blogsome.com/2006/06/21/el-puente-de-tacoma-narrows/
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Si un sistema tiene una frecuencia natural o, podrabsorber una fuerza con la misma frecuencia. Se podr dar una transferencia eficiente de energa entre esta fuerza incidente y el sistema
http://urbanity.blogsome.com/2006/06/21/el-puente-de-tacoma-narrows/
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Si se sobrepasa, si no se puede absorber esta fuerzaincidente
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Si se sobrepasa, si no se puede absorber esta fuerzaincidente
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Supongamos un electrn movindose en un tomo, con un movimiento que tiene una frecuencia o
La aplicacin de un campo elctrico E, causa una fuerza F en el electrn
F = -e Ecarga del electrn
Supongamos que E, proviene de una onda (luz)
F = -e E cos tfrecuencia de la luz
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Si = o el electrn absorber la energa del campo incidente
la luz es absorbida
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si no hay induccin de dipolo no hay absorcin
Una haz induce transiciUna haz induce transicin entre dos n entre dos estados cuestados cunticos nticos SOLOSOLO si la transicisi la transicin n del momento del momento dipolar dipolar entre estos dos entre estos dos estados es distinto de cero estados es distinto de cero
para que un tomo o molcula absorba el campo elctrico debe ser capaz de inducir un dipolo
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cuando incide el campo elctrico el orbital se distorsiona
ya no puede ser descrito como un
orbital sencillo
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Segn la qumica cuntica, el orbital distorsionado puede ser descrito como una combinacin de los orbitales atmicos originales:
distordistor = a = a 1s1s + b + b 2s2s + c+ c2px2px + d+ d2py2py + e+ e2pz2pz
no todos los orbitales originales contribuyen igualmente al orbital distorsionado
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Cuando aplicamos el campo elctrico al orbital, estamos en realidad aplicando un operador
que opera sobre el orbital inicial
E
operador momento
dipolo
campo elctrico
Para el orbital 1s del hidrgeno
distor = E 1s
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Una transiciUna transicin n espectroscespectroscpica entre dos pica entre dos
estados dados, a y b, sestados dados, a y b, slo se lo se dardar si si abab 00
sisi abab = 0= 0transicitransicin n prohibidaprohibida
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FunciFuncin de onda molecularn de onda molecular
La funcin de onda para una molcula es, en general, una funcin de las
coordenadas de todos los ncleos y todos los electrones
(({{rrii}}..{{RRii}}))coordenadas de los ncoordenadas de los ncleoscleoscoordenadas de los e
coordenadas de los e--
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AproximaciAproximacin den de BornBorn--Oppenheimer Oppenheimer
la funcin de onda molecular es producto de las funciones de onda nucleares y electrnicas
el movimiento de los electrones es mucho ms rpido que el de los ncleos
consideraremos que los ncleos estn fijos y se mueven los electrones
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donde
cantidades que dependen paramtricamente de las posiciones de los ncleos
(({{rrii}}..{{RRii}})= )= nucnuc(({{RRii}}) ) elecelec(({{rrii}}..{{RRii}}))
funcin onda nuclear funcin onda electrnica
HHelecelecelecelec(({{rrii}}..{{RRii}})= )= E(E({{RRii}}) ) elecelec(({{rrii}}..{{RRii}}))
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Este hamiltoniano Helec contiene todos los operadores excepto los relativos a la energa cintica nuclear
HHelecelecelecelec(({{rrii}}..{{RRii}})= )= E(E({{RRii}}) ) elecelec(({{rrii}}..{{RRii}}))
Helec = Telec + Vee + VeN + VNN
energa cintica de los e-
interaccin entre e-
interaccin entre e- y ncleos
interaccin entre ncleos
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En una molcula diatmica, por ejemplo, podemos calcular la funcin E(R) fijando los ncleos a distintos valores de R y resolviendo la ecuacin electrnica de Schredinger
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Curva de energCurva de energa potenciala potencial
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Estas curvas representan la funcin de energa potencial bajo la que se mueven los ncleos
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Cada estado electrCada estado electrnico tiene entonces nico tiene entonces un conjunto numeroso de estados un conjunto numeroso de estados vibracionales vibracionales a a l asociados, lo que se l asociados, lo que se puede representar por una figura similar puede representar por una figura similar a esta a esta
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la espectroscopia electrla espectroscopia electrnica estnica estrelacionada con la posibilidad de que se relacionada con la posibilidad de que se den saltos entre estados electrden saltos entre estados electrnicosnicos
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En la espectroscopia de infrarrojo En la espectroscopia de infrarrojo examinaremos transiciones examinaremos transiciones vibracionalesvibracionalesdentro de un estado electrdentro de un estado electrnico simplenico simple
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Espectro de COEspectro de CO22
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Espectro de CHEspectro de CH44MarMara a FontFont. Dpto. Qu. Dpto. Qumica Orgmica Orgnica y Farmacnica y Farmacutica. Universidad de Navarrautica. Universidad de Navarra
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Espectro de Eter etEspectro de Eter etlicolico
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Espectro de Eter etEspectro de Eter etlicolico Por
quPo
r qu n
o sale
n l
no
salen
lneas
sino b
andas
?
neas
sino b
andas
?
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Para una transiciPara una transicin dada entre los estados n dada entre los estados y y , se pueden tener muchas transiciones , se pueden tener muchas transiciones ii
jj (aunque no todas se realicen de hecho)(aunque no todas se realicen de hecho)
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Por eso, en lugar de una lPor eso, en lugar de una lnea simple.....nea simple.....
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tenemos un conjunto de ltenemos un conjunto de lneas.....neas.....
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que si estamos analizando una molque si estamos analizando una molcula de cula de mayor tamamayor tamao, el no, el nmero de transiciones mero de transiciones rotacionalesrotacionales--vibracionales vibracionales serser tan elevado tan elevado que aparecerque aparecern bandas de mayor anchuran bandas de mayor anchura
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En la anchura tambin influir el ambiente en que est la molcula que estemos
estudiando
No olvidar que no solo estamos analizando una
molcula sino un conjunto de ellas
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En una disolucin de HCl, cada molcula estafectada por el efecto solvatador del disolvente: el
enlace Cl-H es ms dbil, es distinto en cada molcula presente en la muestra
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cada molcada molcula es distinta.......cula es distinta.......
fasegas
molcula 1en solucin
molcula 2en solucin
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y contribuye con su y contribuye con su comportamiento al espectro finalcomportamiento al espectro final
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ampliando la anchura de las ampliando la anchura de las bandasbandas