Practica 6 Espectroscopia Molecular y Atómica. PDF

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Instituto Politécnico NacionalEscuela Superior de Ingeniería Química eIndustrias ExtractivasIngeniería Química IndustrialEspectroscopia Molecular y Atómica.(2021-1)Práctica 6: Manejo del espectrofotómetro.Grupo: 3IV Nombre: Cervantes Meza Álvaro Iván Chávez Morales Luis Equipo : 2 Profesora: Lourdes...

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Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas Ingeniería Química Industrial

Espectroscopia Molecular y Atómica. (2021-1) Práctica 6: Manejo del espectrofotómetro.

Grupo: 3IV66 Nombre: Cervantes Meza Álvaro Iván Chávez Morales Luis Equipo: 2 Profesora: Lourdes Ruiz Centeno

Fecha: 11/01/2021

OBJETIVOS   

Aprender el manejo de un espectrofotómetro de Transformadas de Fourier Aprender a elaborar pastillas de KBr. Obtener el espectro de una muestra orgánica.

CONSIDERACIONES TEORICAS. ESPECTROSCOPIA INFRARROJA La espectroscopia infrarroja es una técnica de análisis, que se aplica para obtener información acerca de los procesos de absorción y emisión sobre las moléculas que se encuentran en la materia. Esta parte de la espectroscopia trata con la parte infrarroja del espectro electromagnético. El objetivo de esta técnica es establecer el estado químico de los elementos presenten en el material sólido. CARACTERÍSTICAS DE UN ESPECTRÓMETRO INFRARROJO El espectrómetro infrarrojo se basa en la absorción de radiación electromagnética para provocar transiciones vibratorias en las moléculas, puede reconocer el grupo de elementos que están presentes en una muestra. Los componentes de un espectrómetro infrarrojo son los siguientes:  

  

Fuente de radiación: produce radiación continua Monocromador o sistema óptico de dispersión: selecciona los haces angostos de radiación de pequeños intervalos de frecuencia y los hace incidir sobre el detector. El sistema de detección: son térmicos y térmicos piroeléctricos. El registrador del espectro Las cubetas portamuestras

LOS ESPECTROFOTÓMETROS CON TRANSFORMADA DE FOURIER El presente artículo centra su atención en la espectrometría infrarroja por Transformadas de Fourier (FTIR), una herramienta muy versátil utilizada para detectar contaminantes comunes, subproductos de la degradación del aceite y aditivos. FTIR es una de las herramientas más usadas en los laboratorios de análisis de aceite. Su principal valor reside principalmente en que es una prueba donde el instrumento es la base de toda la prueba (no se requiere de una preparación de la muestra o química húmeda), se ejecuta rápidamente y es capaz de detectar simultáneamente varios parámetros, incluyendo agua, combustible, glicol, oxidación, hollín y algunos aditivos. De hecho, desde el punto de vista de su valor, parece la solución ideal para proporcionar análisis rápidos y económicos. FTIR está basada en los principios de la espectroscopia molecular. Esta área de amplio alcance en física y química cubre una gran cantidad de técnicas experimentales, algunas de las cuales se encuentran en otras pruebas del análisis de lubricantes y otras que son tan sofisticadas que sólo son de importancia en los laboratorios de investigación. El principio básico detrás de la espectrometría molecular es que las moléculas absorben energía de la luz en longitudes de ondas específicas, conocidas como sus frecuencias de resonancia (vibración). Por ejemplo, las moléculas de agua resuenan

(vibran) alrededor del número de onda de 3450 (se indica como cm-1), en la región infrarroja del espectro electromagnético. Un espectrómetro infrarrojo funciona con una pequeña muestra que es colocada en una celda infrarroja, donde es sometida a una fuente de luz infrarroja, la cual hace un barrido desde las longitudes de onda de 4000 cm-1 hasta 600 cm-1. La intensidad de la luz transmitida a través de la muestra es medida en cada número de onda, lo que permite que la cantidad de luz absorbida por la muestra sea calculada por la diferencia entre la intensidad de la luz antes y después de pasar por la celda de muestra. Esto se conoce como el espectro infrarrojo de la muestra. En la región infrarroja del espectro, las frecuencias de resonancia (vibración) de una molécula se deben a la presencia de grupos funcionales moleculares. Un grupo funcional es simplemente un grupo de dos o más átomos, enlazados de una manera específica. En la molécula de agua (H2O), el grupo funcional O-H es el que contribuye a la frecuencia de resonancia (vibración) alrededor de los 3450 cm-1. Para el analista de lubricantes, los grupos funcionales tienen sus ventajas y desventajas en la prueba FTIR. La ventaja es que los diferentes tipos de moléculas, como la del aditivo ZDDP (dialquil ditiofosfato de zinc) y la del agua, o combustibles y glicol tienen diferentes grupos funcionales que absorben luz infrarroja en diferentes longitudes de onda. Por lo tanto, es posible determinar su presencia en una muestra mediante la prueba FTIR, simplemente midiendo la absorción a diferentes longitudes o números de onda. Es el espectrómetro infrarrojo más moderno en comparación con el espectrofotómetro dispersivo. Los espectros se obtienen con gran rapidez ya que la energía absorbida por la molécula es medida a la vez que todas las longitudes de onda en la zona espectral del infrarrojo, permite hacer múltiples barridos. Además, la identificación de longitud de onda que incide es mucho más exacta, la perdida de intensidad de la radiación en su recorrido a la muestra es mucho menor pues posee menos elementos por los que pase la radiación electromagnética.

TRATAMIENTO DE MUESTRAS IR

MUESTRAS GASEOSAS Las muestras gaseosas requieren poca preparación más allá de su purificación, pero se usa una celda de muestra con una larga longitud de celda (usualmente 5-10 cm) pues los gases muestran absorbancias relativamente débiles. MUESTRAS LIQUIDAS Las muestras líquidas se pueden disponer entre dos placas de una sal de alta pureza comúnmente cloruro de sodio, o sal común, aunque también se utilizan otras sales tales como bromuro de potasio o fluoruro de calcio. Las placas son transparentes a la luz infrarroja y no introducirán líneas en el espectro. Algunas placas de sal son altamente solubles en agua, y así la muestra, agentes de lavado y similares deben estar completamente anhidros (sin agua). MUESTRAS SOLIDAS Pastillas. Las muestras sólidas se pueden preparar principalmente de dos maneras. La primera es moler la muestra con un agente aglomerante en un mortero de mármol o ágata. La muestra, finamente dividida, se mezcla con un material adecuado denominado matriz (usualmente bromuro de potasio) y se somete a presión dentro de un troquel de metal. El resultado es una pastilla sólida en la cual las partículas de la muestra permanecen en suspensión. Típicamente, se requieren entre 0,5 mg y 2,0 mg de muestra. Esta técnica es adecuada para mediciones cuantitativas ya que se puede controlar en gran medida la preparación de la pastilla (peso de la muestra, peso de la matriz, presión aplicada y tiempo de compresión). En el comercio se encuentran disponibles troqueles de varios tamaños, adecuados para preparar pastillas con diámetro de 13 a 0,5 mm. Usualmente, la compresión de la muestra se realiza mediante una prensa hidráulica, aunque existen algunos dispositivos manuales más económicos. El KBr es el material más frecuente utilizado para la matriz si bien están disponibles otros haluros como KCl, CsI y AgI.

La escogencia del material depende de la región espectral de interés, el índice de refracción de la muestra y la posible interacción de la muestra con la matriz. El KBr y el KCl no pueden utilizarse si la muestra contiene cantidades apreciables de agua ya que estas sales son solubles en agua, por ello se debe de guardar en el desecador y colocar una porción en la estufa a 100°C antes de usar. Para obtener una pastilla con una buena transmisión de radiación se requiere que la muestra y la matriz presentan índices de refracción muy similares. Tanto el KCl como el KBr tienen un índice de refracción adecuado para muestras orgánicas. Si el índice de refracción de la muestra y la matriz difieren sensiblemente aparecen distorsiones en el espectro. Cuando en el laboratorio se obtiene un espectro distorsionado y no se puede encontrar causa aparente, debe sospecharse de los índices de refracción y tratar con otra matriz. ANÁLISIS ESPECTROSCÓPICO DEL AIRE Entre las aplicaciones más importantes de la espectroscopia IR está la identificación estructural de sustancias a partir de las frecuencias e intensidades del espectro. Vamos a aprovechar este aspecto en un experimento de la absorbencia del aire para detectar las moléculas y modos normales de vibración susceptibles de absorber radiación infrarroja. Desde el punto de vista experimental, la presencia de absorciones intensas de IR en el aire constituye un problema para la espectroscopia infrarroja porque puede interferir con el espectro de absorción de la especie de interés. El problema se resuelve sustrayendo el espectro del aire de cualquier espectro que se realice. Interpretación del espectro de infrarrojo del aire. Entre los componentes mayoritarios de la atmosfera terrestre, los gases de N2 y O2 no producen absorción de radiación infrarroja, ya que son moléculas diatónicas apolares. En cambio, el vapor de agua y el dióxido de carbono absorben radiación infrarroja y por tanto serán observados siempre que se realicen medidas de absorción de infrarrojo en presencia de aire, y deben corregirse (espectro de referencia) a la hora de estudiar una muestra problema

La molécula de agua tiene una estructura no lineal y por tanto presenta tres modos irracionales: una tensión simétrica (v1), una flexión simétrica (v2) y una tensión asimétrica (v3). Generalmente se requiere menos energía para deformar un Angulo entre tres átomos que para estirar un enlace, por lo que la banda v2 debe aparecer a menores frecuencias que v1 y v3. Las vibraciones v1 y v3 cambian el modulo del momento dipolar (Vibraciones paralelas) mientras que la vibración v2 cambia la orientación de dicho momento (vibración perpendicular). Como consecuencia, estas tres vibraciones deben dar lugar a bandas irracionales activas en infrarrojo. La molécula de CO2 presenta una estructura lineal y por tanto sus grados de libertad irracionales son cuatro. Dado que el momento dipolar permanente de la molécula es nulo, la vibración de tensión simétrica no será activa en el espectro de infrarrojo. En cambio, la vibración de tensión asimétrica (vibración paralela) producirá una banda de absorción, así como las dos vibraciones de flexión (vibraciones perpendiculares), que son degeneradas en energía y por tanto aparecen como una sola señal en el espectro. Por otra parte, como las moléculas de H2O Y CO2 pueden girar libremente en su estado gaseoso, sus absorciones de infrarrojo implican transiciones entre los distintos niveles rotacionales de los estados irracionales implicados. De ahí que las bandas de infrarrojo de estos compuestos sean bandas de vibración - rotación, es decir, que sus bandas de vibración presentan estructura fina de rotación. Así una molécula poli atómica como H2O o CO2 presenta bandas paralelas con un contorno PR, mientras que sus bandas perpendiculares tienen contornos PQR.

ASIGNACIÓN DE LAS BANDAS CARACTERÍSTICAS DE UNA PELÍCULA DE POLIESTIRENO. El espectro de infrarrojo de una molécula puede contener datos correspondientes a 3N-6 (o 3N-5) valores distintos de frecuencia e intensidad de las bandas vibracionales. Por tanto, puede esperarse que, para unas condiciones dadas, el espectro de una sustancia sea único y característico. De ahí que la espectroscopia

de infrarrojo sea una técnica muy segura para identificar compuestos. Además, como resultado de que los distintos grupos atómicos poseen diferentes bandas características, se han desarrollado tablas de correlación que reúnen las frecuencias e intensidades de dichas bandas. ESPECTRO IR DEL POLIPROPILENO

El espectro FT-IR de PP comercial utilizado en este estudio se caracteriza por mostrar sólo bandas de absorción características de olefinas, las cuales corresponden a enlaces carbono-carbono como también enlaces carbonohidrógeno. ESPECTROS DE UNA LÁMINA DE CLORURO DE POLIVINILO (PVC)

La tabla muestra las bandas más significativas, así como el correspondiente grupo funcional que las caracteriza. Cabe añadir que estas bandas no son exclusivas del PVC sino que algunas pertenecen a los aditivos característicos del PVC (estabilizantes a la radiación UV, lubricantes y pigmentos). Para efectuar el estudio particular de cada banda se mantiene constante una de las variables

(concentración) centrando la evolución del grupo funcional en función de las otras variables (tiempo y temperatura). Bandas espectrales más significativas del PVC que aparecen en el espectro FT-IR.

ESPECTRO DE ABSORCIÓN IR DE UNA FINA PELÍCULA DE POLIESTIRENO.

ESPECTROS DE VAPOR DE AGUA Y CO2 ATMOSFÉRICOS

En la parte inferior, la señal de un solo haz, es evidente la absorción de gases atmosféricos. En la parte superior, la señal de doble haz muestra cómo el haz de referencia compensa en forma casi perfecta esta absorción y permite obtener una línea base estable 100% de T. ESPECTRO DEL POLIETILENO

Las líneas continuas y punteadas corresponden respectivamente, a la orientación paralela y perpendicular del vector eléctrico de la radiación infrarroja polarizada respecto al eje de orientación.

USOS Y APLICACIONES La espectrometría infrarroja se utiliza ampliamente tanto en la industria como en la investigación científica, porque es una técnica rápida y fiable para medidas, control de calidad y análisis dinámicos. Los instrumentos actuales son pequeños y pueden ser transportados, incluso para tomar medidas de campo. Con los avances en tecnología de filtrado computacional y la manipulación de los resultados, se pueden medir con precisión las muestras en una solución (el agua produce una banda larga de absorbancia en el rango de interés, lo que daría un espectro ilegible sin dicho tratamiento computacional). Algunas máquinas incluso dicen automáticamente qué sustancia está siendo analizada a través de miles de espectros de referencia almacenados en la memoria. Haciendo medidas a una frecuencia específica a través del tiempo, se pueden seguir los cambios en la naturaleza o la cantidad de un enlace en particular, lo que

es especialmente útil para medir el grado de polimerización en la fabricación de polímeros. Las máquinas modernas pueden medir en el rango de interés con gran frecuencia, como 32 veces por segundo. Así las observaciones de reacciones químicas son procesadas con mayor rapidez, y de forma más precisa y exacta.

DESARROLLO EXPERIMENTAL. ELABORACIÓN DE UNA PASTILLA KBr 1.- Armar el dado (Figura No. 1)

2.- En un mortero de ágata (Figura No. 2) colocar la muestra de KBr y molerla hasta

Figura No. 1

obtener un polvo fino

3.-Una vez que la muestra se encuentre pulverizada con ayuda de la espátula colocarla en el dado previamente armado (Figura No. 3)

Figura No. 2

4.- Se colocará el dado con la muestra en la prensa, se bajará el tornillo y se aplicará presión (Figura No. 4) mientras se lleva a cabo este paso se recomienda tener cuidado y que ninguna persona se encuentre enfrente de la prensa

5.- Esperar unos segundos y liberar la presión (observando que en el manómetro indique una lectura en el número cero) enseguida aflojar el tornillo y sacar el dado.

Figura No. 3

6.-Se desarmará con mucho cuido el dado y con ayuda de la espátula tomar la patilla de KBr y

Figura No. 4

colocarla en un vidrio de reloj para poderla pesar (Figura No. 5)

7.-Una vez que se allá pesado la pastilla colocarla en el portapastillas (Figura No. 6 ) para introducirla al espectrofotómetro FTIR PERKIN ELEMER

Figura No. 5

MODELO RX1-FTIR CON COMPUTADORA y poder obtener su espectro.

Figura No. 6

MANEJO DEL ESPECTROFOTOMETRO FTIR PERKIN ELMER MODELO RX1-FTIR CON COMPUTADORA

1.- Encender el monitor y la

2.- Dar doble click en el icono de

computadora

spectrum

4.- Aparece la ventana Spectrum V 3.02

3.-Aparecera la ventana de login-no cambiar nada y dar click en OK

BACKGROUND 1.- Dar click en “Instrument”

2. - Dar click en “Scan Background”

4.-Aparece la ventana “Scanning Back

3.-Establecer las condiciones de

y el espectro correspondiente”

barrido y dar un click en OK

5.-Aparece la ventana “Instrument –

6.- Dar click en “Overwrite”

auto save to Disk

7.- Aparece espectro

OBTENER EL ESPECTRO DE LA MUESTRA 1.- Colocar la muestra en el

2.- Se abre la ventana “Scan

espectrofotómetro, dar un

Sample”, introducir las

click en “Instrument” y dar un

condiciones de barrido y dar click

4.- Para eliminar el espectro Background dar click en la

3.-Aparecera la ventana “Scan Sample” y el espectro

parte inferior, en el nombre del

EDICIÓN DEL ESPECTRO 1.- Dar click en “Process”

2. – Seleccionar Smooth, ir a Interactive Smooth, dar un click, aparece la ventana Interactive

4.-Dar un click en OK. Aparece

3.- Posesionar el mouse en “+” o “-

espectro corregido en otro color, ir

para eliminar el ruido. Nota: el valor de Smooth no debe ser mayor de 30

5.-Dar un click en “Process” y dar un click en Baseline Correction

6.- Dar click en Automatic o Interactive correction según d

8.-Borrar el espectro sin corrección, dar un click en process ir a Abex; dar un click y aparece la ventana Abex

l k

7.- Aparece en la pantalla el espectro corregido y sin corregir

MARCAR PICOS 1.- Iluminar espectro dar clic en

2. – Para marcar solamente los

view y dar un click “label peaks” (se

picos de interés dar un click en

marca todos los picos)

view, ir a “cursor” y dar un click en

4.-Irse a view, y dar un click en “label cursor”. Para eliminar el cursor

3.- Aparece cursor en la pantalla, moverlo con el ratón y posesionarlo sobre el pico.

5.-Irse a view, seleccionar cursor y dar nuevamente click en vertical continuos

NOMBRE AL ESPECTRO 1.- Para ponerle nombre al

2. – Aparece ventana de exit

espectro, ir a view, dar un click en

text,teclear el nombre y dar OK

edit text

4.-Ir a file, dar un click en print

3.- Para imprimir el espectro: encender la impresora

5.-Aparece la ventana Print-Graph y dar un click en Ok

MATERIAL Y EQUIPO

Mortero de ágata

Espátula

Prensa y dado

Espectrofotómetro infrarrojo de transformadas de Fourier

REACTIVOS Bromuro de potasio (KBr) grado espectroscópico Metanol o etanol anhidro Muestra orgánica liquida

1071 2700 – 3000 3000 – 3750

2700 – 3000 2700 – 3000 3000 – 3750

2800 – 3000 1680 – 1730 3000 – 3750

2800 – 3000 2700 – 3000 3000 – 3750

Resultados.

No. DE ONDA 2980

POSIBLE GRUPO FUNCIONAL

VIBRACIÓN

O-H

O-H Estiramiento

2780

O-H

C-H Estiramiento

2360

C=O

2340

C=O

1260

O-H

C=O Estiramiento asimétrico C=O Estiramiento simétrico O-H Sobretono

790

C=O

C=O Sobretono

700

C=O

C=O Sobretono

No. DE ONDA 2921

POSIBLE GRUPO FUNCIONAL

VIBRACIÓN

-CH3

C-H Estiramiento

2855

-CH3

C-H Estiramiento

1462

-CH2-

1377

-CH2-

C-H Estiramiento asimétrico C-H Estiramiento simétrico

720

Zona de ...