Espetroscopia
Um espetro liga uma interação física a um sinal medido. Antes de atribuir um pico, identifica os eixos e o mecanismo que origina o sinal.
Origem física do sinal
Para um fotão, E = hν = hc/λ. Se a matéria passa entre dois estados separados por uma energia ΔE, a frequência do fotão ressonante satisfaz ΔE = hν. Uma separação energética maior corresponde, portanto, a uma frequência mais elevada e a um comprimento de onda menor.
Isto não significa que toda a diferença de energia possível produza uma linha intensa. As regras de seleção da mecânica quântica e o acoplamento detalhado entre radiação e matéria determinam se uma transição é permitida e qual a sua intensidade.
Na espetroscopia de absorção, a radiação incidente perde determinadas energias de fotão porque a amostra é promovida a estados de energia superior. Na espetroscopia de emissão, uma amostra excitada liberta fotões ao passar para estados de energia inferior. A mesma diferença de energia pode, portanto, aparecer como característica de absorção numa experiência e de emissão noutra.
Na espetroscopia de dispersão, o fotão detetado interagiu com a amostra e mudou de direção. A maior parte da dispersão é elástica, mas na espetroscopia Raman uma pequena fração dos fotões troca energia com vibrações moleculares. O desvio de frequência da luz dispersa revela então informação vibracional sem medir a absorção IR convencional.
Um átomo isolado possui níveis eletrónicos de energia. Uma transição entre dois deles produz uma energia fotónica bem definida, pelo que os espetros atómicos contêm frequentemente linhas relativamente estreitas. O hidrogénio é o exemplo clássico: as linhas visíveis de Balmer correspondem a transições que terminam em n = 2, enquanto as séries de Lyman e Paschen se situam principalmente no ultravioleta e no infravermelho.
As moléculas têm mais formas de armazenar energia. Os estados eletrónicos contêm subníveis vibracionais, e estes apresentam estrutura rotacional. Muitas transições muito próximas podem, portanto, sobrepor-se em bandas. Nas fases condensadas, colisões e interações com moléculas vizinhas alargam-nas ainda mais. Um espetro molecular não é «mais confuso porque o instrumento é pior»; grande parte dessa complexidade pertence à própria molécula.
Ler um espetro
O eixo horizontal não é universal. Dependendo da técnica, pode representar o comprimento de onda λ, a frequência ν, a energia do fotão E, o número de onda ṽ em cm⁻¹ ou o desvio químico δ de RMN em ppm. O eixo vertical pode representar intensidade, absorvância, transmitância, contagens de emissão ou outra resposta do detetor.
Isto importa porque o sentido visual pode inverter-se. Na espetroscopia IR, os espetros são frequentemente representados com números de onda elevados à esquerda. Um espetro de transmitância mostra as absorções para baixo; um espetro de absorvância mostra as mesmas absorções para cima. Antes de atribuir significado químico a um pico, identifica os eixos, as unidades e a convenção de representação.
| Técnica | Interação | Informação típica |
|---|---|---|
| UV-visível | Transições eletrónicas | Absorção, cor, concentração |
| IR | Vibrações | Ligações e grupos funcionais |
| Raman | Dispersão inelástica | Vibrações complementares ao IR |
| RMN | Spins nucleares | Ambientes locais e conectividade |
Técnicas comuns
UV-visível
A radiação UV-visível promove frequentemente eletrões de valência entre orbitais moleculares ou estados eletrónicos. Sistemas π conjugados e complexos de metais de transição são exemplos frequentes porque as suas separações energéticas se situam no UV ou no visível. A absorção de certos comprimentos de onda visíveis também explica a cor: uma solução parece colorida porque algumas regiões da luz visível são absorvidas mais intensamente do que outras.
A técnica UV-Vis é especialmente útil quando o objetivo não é apenas identificar uma espécie absorvente, mas medir a sua concentração. A relação central é a lei de Beer-Lambert:
A = εbc
Aqui A é a absorvância (adimensional), ε é a absortividade molar, frequentemente em L mol⁻¹ cm⁻¹, b é o percurso ótico em cm e c a concentração em mol L⁻¹. A um comprimento de onda escolhido, a absorvância é proporcional à concentração quando a forma química permanece estável e as condições experimentais se mantêm no regime linear.
Infravermelho
A radiação infravermelha pode induzir transições entre estados vibracionais moleculares. As frequências de estiramento e deformação dependem da rigidez da ligação, das massas dos átomos e do ambiente molecular. Uma banda forte de estiramento C=O, por exemplo, aparece a um número de onda muito diferente da região de estiramento O–H.
Uma vibração absorve IR apenas se produzir uma alteração do momento dipolar da molécula. Esta condição de seleção explica a importância da simetria e por que os espetros IR e Raman se complementam frequentemente. A densa região de impressão digital pode ser muito característica de uma molécula, mesmo quando as bandas individuais são difíceis de atribuir uma a uma.
Raman
A espetroscopia Raman mede a pequena componente inelástica da luz dispersa. Uma vibração molecular é ativa em Raman quando altera a polarizabilidade da molécula. A atividade IR depende, pelo contrário, de uma alteração do momento dipolar. Como estas condições diferem, uma vibração fraca ou ausente em IR pode ser intensa em Raman, sobretudo em moléculas simétricas.
Esta complementaridade é mais útil do que declarar uma técnica «melhor». A experiência deve ser escolhida de acordo com a interação física capaz de revelar a característica de interesse.
RMN
A ressonância magnética nuclear não sonda principalmente vibrações moleculares nem cor eletrónica. Certos núcleos possuem spin e, num campo magnético, podem ocupar diferentes estados de energia magnética. A radiação de radiofrequência induz transições entre eles.
A distribuição eletrónica local protege ligeiramente um núcleo do campo aplicado. É por isso que hidrogénios ou carbonos quimicamente diferentes ressoam a diferentes desvios químicos, normalmente expressos em ppm. Número de sinais, desvio químico, área integrada e desdobramento spin-spin fornecem informações estruturais diferentes. A RMN é, portanto, poderosa para reconstruir como os átomos estão ligados, e não apenas para perguntar que grupo funcional está presente.
Cálculos
Beer-Lambert
Um analito tem ε = 1,50 × 10⁴ L mol⁻¹ cm⁻¹ no seu máximo de absorção. Uma cuvete de 1,00 cm dá A = 0,720. Então:
c = A/(εb) = 0,720 / [(1,50 × 10⁴)(1,00)] = 4,80 × 10⁻⁵ mol L⁻¹.
O cálculo é simples; o julgamento experimental não. Um branco diferente de zero, luz parasita, dispersão, um equilíbrio químico que varie com a concentração ou valores de absorvância fora da gama linear útil podem tornar pouco fiável a aparente relação linear. Uma boa espetrofotometria usa, por isso, brancos e geralmente uma série de calibração, em vez de confiar cegamente numa única equação.
Energia do fotão
Uma linha a 486,1 nm corresponde aproximadamente a uma energia de fotão de:
E ≈ 1240 eV·nm / 486,1 nm = 2,55 eV.
Se essa linha for produzida por uma transição atómica, 2,55 eV é a diferença de energia entre os dois estados envolvidos. O comprimento de onda não é uma etiqueta arbitrária de cor; é uma medição de energia.
Espetros reais e instrumentação
Os átomos de cada elemento têm um padrão característico de diferenças de energia permitidas. Sódio, hidrogénio, hélio ou ferro excitados emitem e absorvem, por isso, conjuntos diferentes de comprimentos de onda. A espetroscopia atómica de laboratório usa essas assinaturas para análise elementar; a astronomia utiliza a mesma física para inferir a composição de atmosferas estelares sem recolher uma amostra física.
A posição de uma linha identifica uma diferença de energia. A sua intensidade depende de fatores adicionais, como a população dos estados, a probabilidade de transição, a quantidade de espécie presente e a resposta do instrumento. A intensidade não é, portanto, uma medida direta de «quanta energia esse nível contém».
Nenhuma linha espectral real é infinitamente estreita. Um tempo de vida finito do estado excitado produz alargamento natural. O movimento térmico causa alargamento Doppler porque emissores ou absorvedores em movimento apresentam frequências ligeiramente deslocadas. As colisões provocam alargamento por pressão. O próprio instrumento acrescenta uma largura de resposta finita.
Resolução descreve a capacidade de distinguir características espectrais próximas. Aumentar a resolução pode separar picos que antes se fundiam, mas não cria informação que a amostra física nunca codificou. As definições do instrumento também implicam compromissos entre resolução, intensidade do sinal, tempo de aquisição e ruído.
Instrumentos diferentes podem ter aspetos diferentes, mas a maioria executa os mesmos passos lógicos: gerar ou receber radiação, selecionar ou codificar o seu conteúdo espectral, fazê-la interagir com a amostra, detetar a resposta e converter essa resposta num espetro. Um instrumento UV-Vis dispersivo pode usar uma rede ou um monocromador para selecionar comprimentos de onda sequencialmente. A espetroscopia IR por transformada de Fourier regista, em vez disso, um interferograma com muitas frequências ao mesmo tempo e transforma-o matematicamente num espetro.
O traçado apresentado já é, portanto, resultado da ótica, eletrónica e processamento de dados. Subtração do fundo, sensibilidade do detetor, calibração e correção da linha de base fazem parte da medição; não são retoques cosméticos acrescentados depois da ciência «real».
Interpretação analítica
A espetrometria de massa é habitualmente ensinada ao lado de IR, UV-Vis e RMN porque todas são centrais na identificação química. Estritamente, porém, a espetrometria de massa não deteta absorção ou emissão eletromagnética em função da energia dos fotões. Ioniza espécies e separa ou analisa iões segundo a sua razão massa/carga m/z.
A distinção importa porque a informação é complementar. A espetrometria de massa pode restringir a massa e a fórmula molecular ou revelar fragmentação; IR pode identificar tipos de ligação; RMN pode revelar ambientes atómicos locais e conectividade; UV-Vis pode sondar estrutura eletrónica e concentração. A determinação moderna de estruturas torna-se muito mais robusta quando estes indícios independentes concordam.
- Identifica a técnica. IR, UV-Vis, RMN e emissão atómica não usam os mesmos eixos nem as mesmas regras de interpretação.
- Lê os eixos e as unidades. Nunca atribuas um pico antes de o fazer.
- Distingue posição, intensidade e largura. Respondem a perguntas diferentes.
- Procura padrões, não picos isolados. Séries, formas das bandas, desdobramentos e intensidades relativas são muitas vezes mais informativos do que uma característica isolada.
- Verifica a plausibilidade física. A transição ou o grupo funcional propostos são coerentes com o resto da química da amostra?
- Combina técnicas. Trata espetros independentes como restrições sobre uma mesma estrutura, e não como jogos de identificação separados.
A atribuição de um pico é uma hipótese apoiada por modelos físicos e comparação, não uma etiqueta mágica colocada pelo instrumento. Bandas sobrepostas, misturas, sinais do solvente, fluorescência, dispersão, saturação, efeitos de matriz e calibração imperfeita podem induzir a interpretação em erro. A comparação com bases de dados é poderosa, mas uma correspondência numérica sem contexto químico pode continuar errada.
A conclusão mais sólida é geralmente a que é apoiada por várias observações independentes: posições corretas dos picos, intensidades plausíveis, formas de linha adequadas e concordância com outro método analítico.
Exercícios
Beer-Lambert
Duas soluções da mesma espécie são medidas nas mesmas condições. A concentração da segunda é duplicada e o regime linear mantém-se. O que acontece à absorvância?
Solução
Duplica porque A = εbc e tanto ε como b permanecem inalterados.
Escolher uma técnica
É necessário distinguir vários ambientes de protões numa molécula orgânica. Qual é a técnica mais direta?
Solução
RMN, porque o desvio químico depende do ambiente eletrónico local dos núcleos observados.