Spectroscopie

Originea fizică a semnalului

Sistemele cuantice schimbă energie în diferențe bine definite. O linie de absorbție sau emisie apare atunci când energia fotonului corespunde diferenței dintre stări permise: ΔE = hν = hc/λ. În molecule, gradele de libertate electronice, vibraționale și rotaționale creează scări energetice diferite.

Un foton cu energia potrivită nu garantează automat absorbția. Intensitatea semnalului depinde de reguli de selecție și de momentul dipolar de tranziție. Unele tranziții sunt puternice, altele slabe sau interzise în simetria ideală, dar amestecarea stărilor le poate conferi intensitate.

Cea mai solidă interpretare structurală este susținută de mai multe metode independente. Dacă RMN, IR și masa exactă nu sunt compatibile cu același model, structura trebuie revizuită. Bazele de date ajută, dar nu înlocuiesc verificarea fizică.

Cum se citește un spectru

Mai întâi identificați axele și unitățile. Poziția unui vârf este adesea legată de energie sau de mediul chimic local; intensitatea depinde de cantitate, probabilitatea tranziției și răspunsul instrumentului; lățimea poate reflecta durata de viață, mișcarea termică, coliziunile, neomogenitatea sau rezoluția.

Axa spectrală poate fi λ, ν, număr de undă ṽ sau, în RMN, deplasarea chimică δ. În IR se folosesc frecvent cm⁻¹, unde un număr de undă mai mare înseamnă energie mai mare. În RMN, ppm permite compararea deplasărilor între instrumente cu câmpuri magnetice diferite.

Tehnici uzuale

UV–visible

UV–Vis urmărește în principal tranziții electronice. În soluții este folosit și cantitativ prin legea Beer–Lambert: A = εbc.

Infraroșu

IR este deosebit de sensibilă la vibrațiile care modifică momentul dipolar. Frecvențele benzilor ajută la identificarea grupărilor funcționale și a tipurilor de legături.

Raman

Spectroscopia Raman măsoară împrăștierea inelastică și este sensibilă la vibrațiile care modifică polarizabilitatea. Regulile de selecție o fac complementară cu IR.

RMN

RMN utilizează tranziții între stări de spin nuclear într-un câmp magnetic. Deplasarea chimică, multiplicitatea și integralele arată mediul electronic local și conectivitatea.

Benzile UV–Vis moleculare sunt adesea largi deoarece o tranziție electronică este însoțită de multe stări vibraționale și rotaționale, iar solventul și coliziunile lărgesc suplimentar semnalul. O bandă largă este deci un rezultat fizic al multor stări apropiate.

În IR, frecvența de vibrație depinde aproximativ de rigiditatea legăturii și masa redusă. Legăturile mai puternice tind să vibreze la frecvențe mai mari, atomii mai grei la frecvențe mai mici, dar legăturile de hidrogen și cuplarea vibrațiilor pot deplasa benzile.

Calcule

Beer–Lambert

Pentru soluții diluate în regim liniar A = εbc. Dublarea lui c, cu ε și b constante, dublează A. La concentrații mari sau în probe care împrăștie lumina, linearitatea trebuie verificată.

Energia fotonului

E = hν = hc/λ. O lungime de undă mai scurtă înseamnă energie mai mare. La 500 nm, energia este ≈ 3,97 × 10⁻¹⁹ J per foton, adică aproximativ 239 kJ/mol.

Raman și IR nu sunt două măsurări identice ale aceleiași vibrații. Activitatea IR cere schimbarea momentului dipolar, iar activitatea Raman schimbarea polarizabilității. De aceea, într-o moleculă simetrică un mod poate fi puternic într-o tehnică și slab în cealaltă.

Spectre reale și instrumentație

Fiecare element are un model caracteristic de linii atomice deoarece diferențele de energie permise sunt specifice. Liniile reale nu sunt infinit de înguste: apar lărgire naturală, Doppler și colizională, iar instrumentul adaugă propriul răspuns. Rezoluția descrie capacitatea de a separa semnale apropiate. Scăderea fondului, calibrarea și corectarea liniei de bază fac parte din măsurare.

În RMN, deplasarea chimică este controlată de ecranarea electronică locală a nucleului. Cuplarea spin–spin oferă informații despre vecini magnetici, iar integrala despre numărul relativ de nuclee observate. Cele trei tipuri de informație trebuie interpretate împreună.

Interpretare analitică

Spectrometria de masă este predată frecvent alături de IR, UV–Vis și RMN, dar fizic analizează ioni după m/z, nu absorbția sau emisia fotonilor. Informațiile sunt complementare: MS constrânge masa și formula, IR tipurile de legături, RMN mediile locale și conectivitatea, iar UV–Vis structura electronică și concentrația.

1. Identificați tehnica și nu transferați regulile de interpretare de la una la alta.
2. Citiți axele și unitățile înainte de a atribui vârfuri.
3. Separați poziția, intensitatea și lățimea semnalului.
4. Căutați modele și intensități relative, nu un singur vârf izolat.
5. Verificați plauzibilitatea chimică și fizică.
6. Combinați constrângerile provenite din tehnici independente.

Legea Beer–Lambert este un model liniar pe un domeniu limitat. La absorbție foarte mare, lumina parazită și domeniul dinamic al detectorului pot produce abateri, iar echilibrele chimice sau agregarea pot modifica ε.

La compararea spectrelor trebuie verificate rezoluția și calibrarea. Două vârfuri apropiate pot fuziona la rezoluție mică, dar zgomotul nu trebuie interpretat ca linie nouă. Proba martor și repetabilitatea sunt controale esențiale.

Analiza cantitativă necesită mai mult decât o formulă. Sunt necesare un blanc, standarde potrivite, o lungime de drum optic cunoscută și verificarea domeniului liniar al detectorului. Curba de calibrare trebuie să cuprindă domeniul probei necunoscute, nu să se bazeze pe extrapolări îndepărtate.

Exerciții

Beer–Lambert

În aceleași condiții, concentrația celei de-a doua soluții se dublează. Ce se întâmplă cu A în regim liniar?

Alegerea tehnicii

Trebuie să distingeți mai multe medii de protoni într-o moleculă organică.