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Espectroscopia no infravermelho
e Raman
Prof. Edson Nossol
Tópicos Especiais em Química XII
Métodos Físicos em Química Inorgânica
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Espectroscopia no infravermelho
ACIK, M., LEE, G., MATTEVI, C., CHHOWALLA, M., CHO, K., CHABAL, Y. J., Unusual infrared-absorptionmechanism in thermally reduced graphene oxide. Nature Materials, v. 9, p.840-845, 2010.
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Vantagens da espectroscopia no infravermelho
✓ Técnica universal: líquidos, sólidos, gases;
✓Muitas informações: posição, intensidade, formato e
largura da banda;
✓ Rápida e de fácil uso;
✓ Sensibilidade: 10-3 g a 10-12 g
✓ “Baixo custo”: ~ U$ 20,000
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Desvantagens da espectroscopia no infravermelho
✓Átomos ou íons monoatômicos → sem espectro IV
(Pb2+)
✓Moléculas diatômicas homonucleares → sem espectro IV
(N≡N, O=O)
✓ Análise de amostras complexas
✓ Água
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Desvantagens da espectroscopia no infravermelho
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Propriedades da luz
c = νλ W = 1/λ
c: velocidade da luz (3 x 1010 cm/segundoν: frequência em Hertz (s-1)λ: comprimento de onda (cm)
W: número de onda: cm-1
Número de ciclos / cm
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Propriedades da luz
> 14000 cm-1
UV-Vis e raios X14000 a
4000 cm-1
IV próximo
4000 a 400 cm-1
IV médio
400 a 4 cm-1
IV longínquo/distante
< 4 cm-1
Microondasradio
↑ número de onda ↓ número de onda
↑ frequência ↓ frequência
↑ energia ↓ energia
↓ comprimento de onda ↑ comprimento de onda
c = νλ W = 1/λ
c: velocidade da luz (3 x 1010 cm/segundoν: frequência em Hertz (s-1)λ: comprimento de onda (cm)
W: número de onda: cm-1
Número de ciclos / cm
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Propriedades da luz
> 14000 cm-1
UV-Vis e raios X14000 a
4000 cm-1
IV próximo
4000 a 400 cm-1
IV médio
400 a 4 cm-1
IV longínquo/distante
< 4 cm-1
Microondasradio
↑ número de onda ↓ número de onda
↑ frequência ↓ frequência
↑ energia ↓ energia
↓ comprimento de onda ↑ comprimento de onda
E = hν E= hcW
E: energia do fóton (J)h: constante de Planck(6,63 x 10-34 J s-1
W: número de onda: cm-1
Número de ciclos / cm
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Absorção radiação eletromagnética
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Espectro infravermelho
C70 (D5h)
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Espectro infravermelho
A = log(I0/I)
A: absorbânciaI: intensidade da luz na presença da amostraI0: intensidade da luz sem a presença da amostra (background)
Poliestireno
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Espectro infravermelho
T = I/I0
T: transmitânciaI: intensidade da luz na presença da amostraI0: intensidade da luz sem a presença da amostra (background)
A = log (1/T)
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Espectro infravermelho
Análise quantitativa: sempre usar absorbância (Lei de Beer)
Análise qualitativa: critério do usuário
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Espectro infravermelho
* Quantidade menor de amostra* Diminuir caminho óptico
A = log(I0/I)
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Natureza das vibrações moleculares: modos normais
3 graus de liberdadetranslacionais
3 graus de liberdaderotacionais
Molécula não linear: 3N – 6 graus de liberdade vibracionais
Molécula linear: 3N – 5 graus de liberdade vibracionais
Vetores representativos => coordenadas normais
Moléculas vibram em frequências específicas → Moléculas diferentesvibram em frequências diferentes → estruturas diferentes
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Natureza das vibrações moleculares: modos normais
Molécula não linear: 3N – 6 graus de liberdade vibracionais
Molécula linear: 3N – 5 graus de liberdade vibracionais
Vetores representativos => coordenadas normais
O=C=O → (3x3) – 5 = 4 → um estiramento simétrico, um estiramentoassimétrico e duas deformações
H2O → (3x3) – 6 = 3 → um estiramento simétrico, um estiramentoassimétrico e uma deformação
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Natureza das vibrações moleculares: modos normais
estiramentosimétrico
estiramentoassimétrico
deformaçãoangular
torção
Balançowagging
Balançorocking
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O número de modos normais de uma molécula é igual ao número de bandas no infravermelho?
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Como as moléculas absorvem radiação no infravermelho?
1ª condição necessária m = qr
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Como as moléculas absorvem radiação no infravermelho?
1ª condição necessária m = qr
Momento de dipolo induzido
Para poder absorver radiaçao infravermelha, uma vibraçao molecular
deve causar mudanca do momento dipolar da molecula 𝝏𝝁
𝝏𝒙≠ 𝟎
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Como as moléculas absorvem radiação no infravermelho?
Essa condição pode existir?𝝏𝝁
𝝏𝒙= 𝟎
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Como as moléculas absorvem radiação no infravermelho?
2ª condiçao necessária E = hν
Ligaçao O-H
ν = 1 3750 cm-1
v0 → ν2
7500 cm-1
Para poder absorver radiaçao infravermelha, a energia da luz inserida na
molecula deve ser igual a diferença de energia do nível vibracional
∆Evib = hcW
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Como as moléculas absorvem radiação no infravermelho?
2ª condição necessária E = hν
Bandasacopladas
H2O3750 cm-1
1630 cm-1
Para poder absorver radiaçao infravermelha, a energia da luz inserida na
molecula deve ser igual a diferença de energia do nível vibracional
∆Evib = hcW
5380 cm-1
Infravermelhopróximo
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A origem das posições, intensidades e larguras das bandas
Posição dos picos
m = (M1M2)/(M1+M2)
mm: massa reduzida (kg)M1: massa do átomo 1 (kg)M2: massa do átomo 2 (kg)
oscilador harmônico
F = -kx
F: força restauradora da mola (N)k: constante de força da mola N cm-1
x: deslocamento da mola de sua posição de equilíbrio (cm)
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A origem das posições, intensidades e larguras das bandas
Posição dos picos
m = (M1M2)/(M1+M2)
mm: massa reduzida (kg)M1: massa do átomo 1 (kg)M2: massa do átomo 2 (kg)
oscilador harmônico
F = -kx
F: força restauradora da mola (N)k: força da ligaçãox: mudança no comprimento
da ligação
moleculas
F = ma ma = -kx
-kx = d2x/dt2m
F: força (N)m: massa (kg)a: aceleração m s-2
d2x/dt2: segunda derivada x em t
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A origem das posições, intensidades e larguras das bandas
Posiçao dos picos
oscilador harmônico
W = 1 (k/m)1/2
2πc
W: número de onda (cm-1)c: velocidade da luz (3x1010 cms-1)K: constante de força N cm-1
m: massa reduzida (kg)
ν = cW ν = 1 (k/m)1/2
2π
1) Uma molecula com uma força de ligaçao química elevada irá absorver
em valores maiores de número de onda!
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A origem das posições, intensidades e larguras das bandas
Posiçao dos picos
oscilador harmônico
W = 1 (k/m)1/2
2πc
W: número de onda (cm-1)c: velocidade da luz (3x1010 cms-1)K: constante de força N cm-1
m: massa reduzida (kg)
ν = cW ν = 1 (k/m)1/2
2π
2) Uma molecula com átomos mais pesados irá absorver em valores
menores de número de onda!
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A origem das posições, intensidades e larguras das bandas
Posiçao dos picos
oscilador harmônico
W = 1 (k/m)1/2
2πc
W: número de onda (cm-1)c: velocidade da luz (3x1010 cms-1)K: constante de força N cm-1
m: massa reduzida (kg)
ν = cW ν = 1 (k/m)1/2
2π
* Nao existem duas substâncias químicas no universo que tenham as
mesmas constantes de força e massa atômica!!!
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A origem das posições, intensidades e larguras das bandas
1H: massa atômica 11D: massa atômica 2
Constante de forçaigual
2) Uma molécula com átomos mais pesados irá absorver em valores
menores de número de onda!
W = 1 (k/m)1/2
2πc
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A origem das posições, intensidades e larguras das bandas
1H: massa atômica 11D: massa atômica 2
Constante de forçaigual
C-H: massa atômica 1
O=C-H: massa atômica 2
Massa reduzidaigual
W = 1 (k/m)1/2
2πc
Temperatura, pressão, estado físico e interações químicas devem ser
controladas, pois afetam o valor de k → W
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A origem das posições, intensidades e larguras das bandas
Oscilador anarmônico C H
CHCl3
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A origem das intensidades das bandas
𝝏𝝁
𝝏𝒙
698
1601
estiramento C=C (anel)
deformaçao angular do anel
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A origem das intensidades das bandas
Concentraçao das especies na amostra
Paula Marques, Gil Gonçalves, Sandra Cruz, Nuno Almeida, Manoj Singh, José Grácio and António Sousa, Nanotechnology and Nanomaterials, Advances in Nanocomposite Tecgnology, p. 250, 2011.
A = ԑlc
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A origem das larguras das bandas
Ambiente químico
Molécula H2O: 1 vizinho → 3750 cm-1
Molécula H2O: 2 vizinhos → 3751 cm-1
Interações intermoleculares
Ligaçao de hidrogênio: O-H, F-H, N-H
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A origem das larguras das bandas Ambiente químico
Ligação de hidrogênio: O-H, F-H, N-H
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A origem das larguras das bandas Ambiente químico
Ligaçao de hidrogênio: O-H, F-H, N-H
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A origem das larguras das bandas Sobreposiçao de bandas
YOKOZEKI, A., KASPRZAK, D. J., SHIFLETT, M. B., Thermal effect on C-H stretching vibrations of the imidazolium ring in ionicliquids. Physical Chemistry Chemical Physics, v. 9, p.5018-5026, 2007.
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Grupos característicos
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Compostos inorgânicos
ν S-O
δ S-O
ν N-O
δ N-O
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Interpretaçao do espetro IV: Algumas dicas
1) Use um espectro de qualidade
2) Evite misturas, se possível
3) Tenha um conhecimento prévio da amostra
4) Identifique a resolução, método de preparo, smoothing
5) Faça uma leitura rápida do espectro e identifique os principais grupos:
6) Atribua as bandas mais intensas
7) Literatura, software
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Instrumentação - Interferômetro
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Instrumentação - Interferômetro
Como os dois feixes combinam em um sóno splitter?
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Instrumentação - Interferômetro
• Fonte IV emite luz somente em um único λ• Interferômetro na posiçao zero
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Instrumentaçao - Interferômetro
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Instrumentaçao - Interferômetro
E se aumentarmos a distância?
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Instrumentação - Interferômetro
Interferograma
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Instrumentaçao - Interferômetro
Interferograma
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Instrumentaçao - Interferômetro
Interferograma
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Como um interferograma se transforma em um espectro?
Transformada de Fourier = seno e coseno/onda
Laser
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Como um interferograma se transforma em um espectro?
Transformada de Fourier = seno e coseno/onda
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Como um interferograma se transforma em um espectro?
Background
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Como um interferograma se transforma em um espectro?
Background + amostra
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Como um interferograma se transforma em um espectro?
Amostra
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Preparação da amostra - sólidos Pastilha de KBr
* Pressão: 8 ton/5 min ou 10 ton/1 min pastilha 13 mm
* Quantidade de amostra: 0,1 a 3%
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Preparaçao da amostra - sólidos
Reflectância especular
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Preparação da amostra - sólidos
Reflectância difusa
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Preparação da amostra - sólidos Tecnica de reflectância difusa
* 5 a 10% da amostra em KBr
R∞ =𝑅∞(amostra)
𝑅∞(referência)
f(R∞) =(1 − R
∞)
2R∞
= k/s
Kubelka-Munk
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Preparação da amostra - sólidos Técnica de reflectância atenuada
(ZnSe, diamante)
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Custo do equipamento
U$ 22,000