Interacció de la Radiació Electromagnètica amb la Matèria

Text del document

Interacció entre les radiacions electromagnètiques i la matèria Ones i espectre electromagnètic Definició d'ona Una ona és una pertorbació que es propaga per l'espai o per un medi. En una ona l'energia es transporta sense que hi hagi un transport de massa. Oscil·loscopi digital Descripció física d'una ona Longitud d'ona ( λ ): distància entre dues crestes o dues valls consecutives. Amplitud (A): variació màxima del desplaçament de l'ona respecte el seu eix de propagació. Les dues magnituds es mesuren en metres (m).

Ones i espectre electromagnètic Descripció física d'una ona Període (T): temps necessari per a completar una oscil·lació completa (s) Freqüència (f o ): nombre d'oscil·lacions que realitza l'ona per segon (Hz o s-1) Nombre d'ona ( n ): n = 1/ λ Inversa de la longitud d'ona (m-1 o cm-1) Ones i espectre electromagnètic Les ones o radiacions electromagnètiques es propaguen a l'espai amb un component elèctric i un component magnètic. Aquests dos components oscil·len en angles rectes respecte ells i respecte a la direcció de propagació.

Ones i espectre electromagnètic Ones i espectre electromagnètic Velocitat de la llum: relació entre λ i f Les ones electromagnètiques es desplacen a la velocitat de la llum (c). Aquesta velocitat és diferent depenent de si la radiació es desplaça en el buit o en algun medi material (aire, aigua). c = λ / T = λ · f (f = 1/T) c = 299.792.458 ~ 3,0 ·108 m·s-1 (en el buit) Ones i espectre electromagnètic Energia de les radiacions electromagnètiques Una ona electromagnètica consisteix en un conjunt de paquets d'energia (quants), anomenats fotons.

Atès que els fotons són emesos i absorbits pels àtoms, actuen com a transportadors d'energia L'energia d'un fotó ( E ) és directament proporcional a la freqüència de l'ona (f) Equació de Planck: E = h · f h = 6,626 · 10-34 J·s (constant de Planck) Com la c és constant (la llum es propaga a velocitat constant), quan més gran és la freqüència (f) més petita és la longitud d'ona (λ). Ones i espectre electromagnètic Espectre electromagnètic Ones i espectre electromagnètic Exemples Es disposa de cèl·lules fotoelèctriques de cada un dels metalls i s'il·luminen amb llum de 300nm. Quina és l'energia dels electrons?

E=6,626·10-19J Calculeu l'energia i la longitud d'ona d'un foto de llum de 1015Hz de freqüència. E=6,626·10-19J λ=3·10-7m Calculeu el valor de la longitud d'ona associada a un fotó d'energia de 3KeV. 1eV = 1,609·10-19J λ=4,118·10-10m Efectes de les radiacions e.m. sobre àtoms i molècules Interacció entre les radiacions electromagnètiques i la matèria Interacció entre les radiacions electromagnètiques i la matèria Efectes de les radiacions em sobre àtoms i molècules Els àtoms i molècules tenen els seus nivells d'energia quantitzats.

Cada regió de l'espectre electromagnètic té fotons amb l'energia requerida per provocar determinats tipus de processos: - Ultraviolat (UV): fotoionització (UV llunyà) i canvis de nivell energètic dels electrons (UV proper) - Visible: canvis de nivell energètic dels electrons - IR: moviments de vibració molecular - Microones: moviments de rotació i torsió de les molècules - Ones de ràdio: transicions d'espín nuclear en els àtoms (ressonància magnètica nuclear si s'aplica simultàniament un camp magnètic) https://phet.colorado.edu/sims/html/molecules-and- light/latest/molecules-and-light_en.html Llum visible El principal mecanisme per a l'absorció dels fotons de llum visible és la transició dels electrons a nivells superiors d'energia.

Interacció entre les radiacions electromagnètiques i la matèria Radiació IR L'absorció de fotons de radiació infraroja provoca transicions entre nivells d'energia vibracional dels enllaços de les molècules. Aquest augment del moviment de vibració molecular es tradueix en un escalfament del material. Interacció entre les radiacions electromagnètiques i la matèria Microones L'absorció de radiacions de microones pot provocar moviments de rotació i torsió en les molècules. Aquests moviments moleculars provoquen l'escalfament de la substància.

Interacció entre les radiacions electromagnètiques i la matèria Interacció entre les radiacions electromagnètiques i la matèria Mètodes espectroscòpics Per analitzar les substàncies actualment s'utilitzen diverses tècniques instrumentals basades en l'espectroscòpia : - Espectroscòpia d'espectre infraroig (IR): detecció de grups funcionals orgànics. - Espectrometria UV-visible : detecció d'enllaços múltiples, anàlisi quantitatiu i qualitatiu. - Ressonància magnètica nuclear (RMN): determinació del tipus i posició dels àtoms d'hidrogen en les molècules orgàniques; obtenció d'imatges pel diagnòstic en medicina.

- Espectrometria de masses (MS): determinació de la massa molecular i de l'estructura de les molècules. Per realitzar l'elucidació estructural de molècules normalment s'utilitzen les dades obtingudes a partir de diverses tècniques. Mètodes espectroscòpics Espectroscòpia d'espectre infraroig (IR) Fonament teòric La freqüència (o longitud d'ona) a la que absorbeix cada enllaç depèn de l'energia de l'enllaç (força de l'enllaç) i de la massa dels àtoms enllaçats. Mètodes espectroscòpics Espectroscòpia d'espectre infraroig (IR) Fonament teòric L'absorció de fotons IR provoca transicions entre nivells d'energia vibracionals dels enllaços de les molècules.

Mètodes espectroscòpics Espectroscòpia d'espectre infraroig (IR) Fonament teòric Modes vibracionals de la molècula d'H2O Pràcticament totes les molècules amb enllaços polars poden absorbir fotons de radiació IR. Les molècules diatòmiques homonuclears no són actives a la radiació IR. Mètodes espectroscòpics Espectroscòpia d'espectre infraroig (IR) Espectres IR Els espectres IR són característics de cada substància i permeten identificar-la. Espectre IR del CO2 https://youtu.be/W5gimZlFY6I L'espectre IR és característic de cada compost.

Mètodes espectroscòpics Espectroscòpia d'espectre infraroig (IR) Espectres IR En els espectres IR es representa el percentatge de radiació IR que absorbeix la mostra analitzada ( Absorbància o %Transmitància ) a diferents nombres d'ona ( de 200 a 4000 cm-1 ). Espectre IR d'un aminoàcid sintètic %T A Mètodes espectroscòpics Espectroscòpia d'espectre infraroig (IR) Espectres IR Cada tipus d'enllaç absorbeix a unes longituds d'ona característiques i això permet identificar els grups funcionals que conté la molècula. Mètodes espectroscòpics Ressonància magnètica nuclear (RMN) Fonament teòric Els nuclis dels àtoms tenen una massa i una càrrega determinades.

Degut al seu moviment de rotació, també presenten una propietat anomenada espín. Si s'aplica un camp magnètic extern els espins dels nuclis tendeixen a orientar-se a favor o en contra del camp magnètic, en dos possibles estats d'energies diferents. Mètodes espectroscòpics Una vegada exposats a un camp magnètic, els nuclis atòmics poden passar de l'estat d'espín de baixa energia a l'estat d'alta energia. En aquest procés absorbeixen unes freqüències característiques (freqüències de ressonància) corresponents a la regió de les ones de ràdio.

Quan més potent és el camp magnètic aplicat, més gran és la separació entre els nivells d'energia dels espins i més alta la freqüència de les ones de ràdio absorbides. Ressonància magnètica nuclear (RMN) Fonament teòric https://phet.colorado.edu/sims/cheer pj/mri/latest/mri.html?simulation=mri química orgànica són: 1H, 13C, 31P, 19F i 15N, tots ells amb espín = ½ Dues de les tècniques més habituals són l'espectroscòpia RMN de protó (1H ) i l'obtenció d'imatges per ressonància magnètica (IRM).

Mètodes espectroscòpics Ressonància magnètica nuclear (RMN) Fonament teòric Són susceptibles de ser estudiats mitjançant RMN els nuclis que presentin un nombre senar de protons i/o de neutrons (espín > 0). Els nuclis més importants en Mètodes espectroscòpics Ressonància magnètica nuclear (RMN) Instrumentació La mostra es col·loca dintre d'un potent imant que genera el camp magnètic. També cal un emissor de radiofreqüència, un receptor i un detector per comprovar si s'ha produït absorció de radiacions. Per últim les dades són processades per un ordinador que genera l'espectre RMN.

Mètodes espectroscòpics Ressonància magnètica nuclear (RMN) Espectroscòpia RMN de protó (1H ) La interpretació dels pics que apareixen als espectres RMN de protó permet conèixer el nombre i tipus d'àtoms d'hidrogen que conté la molècula, el seu "esquelet". Mètodes espectroscòpics Ressonància magnètica nuclear (RMN) Espectroscòpia RMN de protó (1H ) Desplaçament químic ( ) d'un nucli d'hidrogen El desplaçament químic d'un nucli d'hidrogen és la posició del seu pic en l'eix d'abscisses de l'espectre RMN. Aquesta posició s'obté prenent com a referència el pic d'una substància patró (TMS, tetrametilsilà), a la que se li assigna δ = 0,0 ppm.

El resultat és adimensional i es dona en parts per milió (ppm). Es defineix una escala des de 0 fins a δ = 12 ppm. Pic de referència ( = 0,0) TMS: tetrametilsilà, (CH3)4 Si Mètodes espectroscòpics Ressonància magnètica nuclear (RMN) Espectroscòpia RMN de protó (1H ) Desplaçament químic ( ) d'un nucli d'hidrogen El desplaçament químic d'un nucli d'hidrogen és la diferència entre la freqüència de ressonància del nucli i la d'un patró (TMS, tetrametilsilà) quan la molècula està exposada a un camp magnètic extern i s'ha irradiat amb radiació electromagnètica de radiofreqüència.

Mètodes espectroscòpics Ressonància magnètica nuclear (RMN) Espectroscòpia RMN de protó (1H ) Desplaçament químic ( )d'un nucli d'hidrogen El desplaçament depèn de "l'entorn químic" que té cada nucli d'hidrogen, de l'efecte d'apantallament sobre el camp magnètic que exerceixen els electrons que envolten a cada nucli. Marges aproximats de desplaçaments químics de protons situats en diferents ambients químics. Mètodes espectroscòpics Ressonància magnètica nuclear (RMN) Espectroscòpia RMN de protó (1H ) Intensitat dels senyals Les àrees dels pics són proporcionals al nombre de protons equivalents responsables del senyal.

Mètodes espectroscòpics Ressonància magnètica nuclear (RMN) Espectroscòpia RMN de protó (1H ) Intensitat dels senyals Les àrees dels pics són proporcionals al nombre de protons equivalents responsables del senyal. Mètodes espectroscòpics Ressonància magnètica nuclear (RMN) Exemple: 1,2-dibromoetà 1,1-dibromoetà Mètodes espectroscòpics Ressonància magnètica nuclear (RMN) Espectroscòpia RMN de protó (1H ) Mètodes espectroscòpics Si un protó (H) té "n" protons veïns sobre els carbonis adjacents, la seva absorció estarà desplegada en (n+1) pics. El valor de (n+1) rep el nom de multiplicitat.

Aquest desplegament dels pics només es veu en els espectres d'alta resolució realitzats amb instruments que poden detectar diferències de freqüència molt petites (inferiors a 0.01 ppm). Espectres RMN de l'etanol Ressonància magnètica nuclear (RMN) Espectroscòpia RMN de protó (1H ) (a) Baixa resolució Espectres d'alta resolució (multiplicitat) (b) Alta resolució Mètodes espectroscòpics Espectrometria de masses (MS) Fonament teòric Aquesta tècnica instrumental d'anàlisi no és un mètode espectroscòpic, ja que no utilitza la interacció amb la matèria de cap tipus de radiació electromagnètica.

En la MS la molècula a estudiar és vaporitzada i bombardejada amb un feix d'electrons, la qual cosa provoca la seva ionització i fragmentació. Els fragments amb càrrega positiva són accelerat per un camp elèctric i desviats per un imant (camp magnètic). Aquests fragments ionitzats es desvien més o menys segons la seva relació massa/càrrega (m/z) , impacten en un detector i els senyals són transformats en un espectre de masses. Mètodes espectroscòpics Espectrometria de masses (MS) Instrumentació 1. Vaporització 2. Ionització i fragmentació de les molècules (amb un feix d'electrons) 3. Acceleració dels ions (camp elèctric) 4. Desviament segons m/z (camp magnètic) 5.

Detecció dels fragments 1 2 3 4 5 Mètodes espectroscòpics Espectrometria de masses (MS) Espectres de masses Processos bàsics en espectrometria de masses: La mostra es volatilitza a pressions molt baixes. Es bombardeja amb un feix d'electrons. El compost (M) es trenca en diferents fragments que tenen càrrega, normalment positiva i de valor unitat. Poden quedar compost sense trencar-se i carregats positivament (M+, ió molecular). Els ions són accelerats en presència d'un camp elèctric. Els diferents fragments carregats són separats segons el valor de la relació massa / càrrega que tenen. Es detecta la quantitat de cadascun dels diferents fragments.

Mètodes espectroscòpics Espectrometria de masses (MS) Espectres de masses És difícil preveure com es trencaran els ions moleculars, però es poden donar algunes normes que poden ajudar a resoldre problemes senzills: Els alcans es trenquen amb més facilitat per l'enllaç C – C més proper a la meitat de la molècula. En els hidrocarburs ramificats, la fragmentació tendeix a presentar-se al lloc de la ramificació. En els hidrocarburs insaturats és més fàcil que la ruptura es produeixi en l'enllaç C – C que no sigui contigu al doble o triple enllaç. En els alcohols, amines i èters el procés de fragmentació més comú és la ruptura de l'enllaç entre el carboni de la funció i el següent.

En els èsters, aldehids i cetones, es trenca l'enllaç entre el carboni del grup carbonil i un àtom adjunt. Mètodes espectroscòpics Espectrometria de masses (MS) Espectres de masses Cada pic de l'espectre de masses correspon a un fragment ionitzat de la molècula original. En l'eix vertical de l'espectre de masses es representa l'abundància relativa de cada fragment. En l'eix horitzontal s'indica la relació massa-càrrega (m/z) dels fragments.

Mètodes espectroscòpics Espectrometria de masses (MS) Espectres de masses Espectre de masses del pentà El pic base és el més intens (el fragment més abundant) L'ió molecular (M+ ) correspon a la molècula després de perdre un electró (la seva massa és igual a la massa molecular) Mètodes espectroscòpics Espectrometria de masses (MS) Espectres de masses L'ió molecular ens permet conèixer la massa molecular de la substància. Mètodes espectroscòpics Espectrometria de masses (MS) Espectres de masses Els grups de pics petits situats al voltant d'un altre indiquen la presència d'isòtops.

Mètodes espectroscòpics Espectrometria de masses (MS) Espectres de masses Mètodes espectroscòpics Espectrometria de masses (MS) Aplicacions L'anàlisi dels espectres de masses permet: - Determinar la massa molecular d'una molècula. - Determinar l'estructura de la molècula a partir de les masses dels fragments i la seva abundància relativa. - Identificar isòtops d'àtoms.