FISICO QUÍMICA UNIDAD 2

ONDA P ARÁMETROS DE UNA ONDA Longitud de onda: (λ) Es la distancia entre dos puntos equivalentes de una onda. La distancia recorrida por la onda en igual tiempo a su período T. Se denomina c l símbolo λ (lambda). Amplitud: (A) Máxima perturbación respecto de su posición de equilibrio. Perturbación máxima :picos o valles, Perturbación mínima: nodos.

En el ejemplo la frecuencia es de un Hertz (f ó u) Número de oscilaciones completas (ciclos ) por segundo u (f) = v/ f: Hertz (Hz). 1 hertz = 1 oscilación por seg. v = velocidad de la onda la onda en el medio. Tiempo=0s Tiempo=1s En el ejemplo la frecuencia es de un Hertz

UN ciclo completo de la perturbación. Período: (T) Intervalo de tiempo entre dos puntos equivalentes consecutivos de la onda. UN ciclo completo de la perturbación.

Velocidad: (v) v (veloc)= λν v= λ f Es el desplazamiento de una onda en una unidad de tiempo v (veloc)= λν v= λ f

CARACTERÍSTICAS DE LAS ONDAS nodo

Fundamentos de Espectrofotometría

ESPECTROSCOPÍA Estudio del espectro de la luz que emiten los cuerpos, sustancias y elementos. Medición de la cantidad de energía radiante que absorbe un elemento en su estado puro o un conjunto de elementos, en función de la longitud de onda Información: composición, densidad, velocidad de desplazamiento , etc.

Características de la Luz La luz tiene una naturaleza dual: Como onda Como una corriente de partículas o paquetes de energía (fotones) La teoría em NO EXPLICA TODOS LOS FENÓMENOS RELACIONADOS CON LA LUZ. En ciertos fenómenos la luxz no se comporta de manera ondulatoria, sino como si estuviera conformada por partículas: fotones (tienen comportamiento cuántico= electrones) Modelo corpuscular: luz compuesta por paquetes de energía: fotones (partículas sin masa, con E)

Radiación electromagnética Maxwell (1873)- Modelo Ondulatorio: luz está formada por ondas electromagnéticas Oscilación de campos eléctricos y magnéticos Velocidad de la luz (en el vacío) = c = 3.00 x 108 m/s Radiación EM: campo eléctrico oscilante y su correspondiente campo magnético, perpendicular, se propangan en el espacio de manera ondulatoria. Emisión y transmisión de energía por medio de ondas electromagnéticas. La luz se explica como una ONDA: radiación electromagnética l n = c v= λ f

Teoría Cuántica de Planck Los átomos y moléculas sólo pueden absorber y emitir energía en cantidades discretas o cuántos. Energía de un cuanto (ε) es proporcional a la frecuencia de radiación ( ó f) h = 6.63 ·10 -34 J s =cte de Planck ε = h · f f = c /  ε = h · c / = Δ E ( a mayor  mayor ε ) ( a mayor  menor ε ) La radiación EM interactúa con la materia si y sólo si la energía que transporta es adecuada para que se cumpla ε = h · c /  = Δ E: variación de E entre 2 niveles de la materia

h · c / = Δ E 3 1 Foton 2

COLORES

Espectro Electromagnético E = h  = c/ Espctroscopía UV: cromóforos Espectroscopía IR: grupos funcionales rayos  rayos x UV VIS IR m-ondas radio 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 100 102 longitud de onda (cm) Espectroscopía RMN: átomos individuales y su entorno

ESPECTROS DE EMISIÓN vapores de una sustancia en una llama descarga eléctrica ¿Hay absorción de energía? E

ESPECTROS DE ABSORCIÓN -Interponer la sustancia entre la fuente de luz y el detector ¿Hay emisión de la energía absorbida? **Para ver espectros de la tabla periódica buscar en esta página http://site.ifrance.com/okapi/quimica.htm **

Radiación electromagnética INTERACCIÓN Materia Radiación electromagnética Absorción Emisión Espectro INFORMACIÓN DE LA ESTRUCTURA DE LA MATERIA

Interacción de la radiación con la materia

Electrónico Vibracional - Rotacional Dependiendo de la cantidad de energía involucrada esta puede producir cambios en el estado: Electrónico Vibracional - Rotacional

Radiación UV-visible ULTRAVIOLETA LEJANO 10 - 200 nm ULTRAVIOLETA PRÓXIMO 200 - 400 nm RADIACIÓN UV-V VISIBLE 400 - 800 nm Efectos EXCITACIÓN ELECTRÓNICA

Espectrofotometría de absorción UV- Visible Espectrofotometría de absorción Barrido espectral  Identificación Determinación de concentraciones * Barrido * Selección del  óptimo A

Ejemplos Terminología Grupo cromóforo: grupo covalente insaturado: Ejemplos : los grupos vinilo, carbonilo, fenilo, nitro. Grupo auxócromo: grupo saturado (con pares electrónicos libres) unido a un cromóforo altera tanto la posición como la intensidad de la banda de absorción de éste. Ej grupos –OH, -NH2, -Cl, -Br, -CH3. Ejemplos

Cada compuesto presenta un espectro de absorción característico Longitudes de onda: mayor absorción (picos): se leerá la muestra para determinar su concentración l Absorbancia l Absorbancia

Uso de la Emisión Atómica Espectrofotometría de emisión Uso de la Emisión Atómica Identificación de elementos (espectros) Cálculos de concentración La intensidad de las líneas de emisión es proporcional a la concentración Absorbancia por una sustancia a una l determinada : Absorbancia Conc.

c = concentración. (número de partículas por cm3) Rayo de luz monocromática de intensidad I0 pasa a través de una solución, parte de la luz es absorbida resultando que la luz emergente I es menor que I0 Luz incidente (I0) Luz absorbida Luz emergente (I) b a c = concentración. (número de partículas por cm3) I a = absortividad I0 Longitud del medio absorbente o ancho de la celda

A = log10 1/T = log101- log10 T = 0 – log10 T = – log10 T Ley de lambert Beer: I = I0e-abc I/I0 = e-abc A = log10 1/T = log101- log10 T = 0 – log10 T = – log10 T Concentración Absorbancia % Transmitancia Concentración Transmitancia (T): T = I / I0 Se expresa como % T

Espectrómetro UV-Vis : registra l - cuantifica absorción cubeta muestra (en solución) luz UV DETECTOR Espectro : Absorbancia (A) vs. (λ)

Transiciones vibracionales Modos de vibración de moléculas triatómicas flexion Aplicaciones espectroscopía IR Identificación de grupos funcionales

Grupos Funcionales básicos C-H flexión O-H C=O C-O alkenes tensión O-H aromatic C-H ChC C=C C-C 4000 3000 2000 1000 400 Longitud de onda cm-1)

4000 a 2900 cm-1 : Tensión de C-H, O-H y N-H 2500 a 2000 cm-1 : Tensión de triples enlaces y dobles enlaces acumulados. 2000 a 1500 cm-1 : Tensión de C=O, C=N y C=C. 1500 a 600 cm-1 : Zona de la huella dactilar (Flexión de enlaces CH,CO,CN,CC, etc..)

EL ESPECTRO DE INFRARROJO ¿Cómo es un espectro de infrarrojo? Huella dactilar (600-1450) Grupo de frecuencias (4000-1450) Regiones

OH (enlace de hidrógeno) 3100-3200 -C ≡ C- 2300-2100   GRUPO FUNCIONAL  NUMERO DE ONDA (cm-1) OH (enlace de hidrógeno) 3100-3200 -C ≡ C- 2300-2100 OH (sin enlace de hidrógeno) 3600 -C ≡ N ~ 2250 Cetonas 1725-1700 -N=C=O ~ 2270 Aldehídos 1740-1720 -N=C=S ~ 2150 Aldehídos y cetonas α,β-insaturados 1715-1660 C=C=C ~ 1950 Ciclopentanonas 1750-1740 NH 3500-3300 Ciclobutanonas 1780-1760 C=N- 1690-1480 Ácidos carboxílicos NO2 1650-1500 1400-1250 Esteres 1750-1735 S=O 1070-1010 Esteres α,β-insaturados 1750-1715 sulfonas 1350-1300 1150-1100 δ-Lactonas Sulfonamidas y sulfonatos 1370-1300 1180-1140 γ-lactonas C-F 1400-1000 Amidas 1690-1630 C-Cl 780-580 -COCl 1815-1785 C-Br 800-560 Anhidridos 1850-1740(2) C-I 600-500 carbon-oxygen double, C=O (1680-1750) carbon-oxygen single, C-O (1000-1300) oxygen-hydrogen, O-H (2500-3300) carbon-hydrogen, C-H (2853-2962) carbon-carbon single, C-C (H.dact)

Espectro IR del formaldehido MODOS DE VIBRACIÓN Tensión asimétrica C-H Tensión simétrica C-H Tensión C-O Flexión C-H Flexión C-H Flexión C-H CH2 rocking CH2 wagging asymmetric stretch symmetric stretch C=O stretch CH2 scissoring

4.- INTERPRETACIÓN DE UN ESPECTRO IR carbon-oxygen double, C=O (1680-1750) carbon-oxygen single, C-O (1000-1300) oxygen-hydrogen, O-H (2500-3300) carbon-hydrogen, C-H (2853-2962) carbon-carbon single, C-C (H.dact) Ácido etanoico

Etanol O-H en los alcoholes 3230-3550 cm-1 C-H 3000 cm-1 C-O 1000-1300 cm-1

Grupos funcionales cuyos picos de absorción se localizan en la región del infrarrojo –COH 3610-3640 Fuerte

Los núcleos atómicos se comportan como pequeños imanes Campo magnético: núcleos átomos de H se comportan como pequeños imanes: El spin de protón genera un campo magnético: momento magnético - movimiento de la carga eléctrica (+). se alinean en igual o diferente dirección respecto al campo EM sin campo con campo

1H y 13C 1H Se utiliza para estudiar núcleos como Más usados son 1H 13C, 15N, 19F y 31P. Más usados son 1H y 13C principales componentes de moléculas orgánicas. 1H Absorción de la radiación detectada por el RMN varía según el tipo de átomos adyacentes al núcleo de H. Picos obtenidos se registran desplazamiento- químico:δ(referida a un patrón). Área debajo de la curva: nro. átomos de una molécula que resuena a la misma  . Cada señal puede desdoblarse en 2 o más picos. Nro. de picos= + 1 al nro. de átomos de H presentes en átomos de C adyacentes

Parámetros de un espectro de RMN 1) Intensidad (área bajo la curva). Proporcional al número de protones que dan origen a la señal

Parámetros de un espectro de RMN 2) Desplazamiento químico (d)

H-RMN. Desplazamientos químicos característicos de protones para distintos grupos funcionales función tipo de protón desplazamiento químico (ppm) Alcanos ciclopropano 0.2   0.9 acíclico 1.3 cíclico 1.5 1.5-2.0 Alquenos 4.6-5.9 1.8 Alquinos 2-3 Aromáticos Ar-H 6-8.5 Ar-CH3 2.3 Haluros de alquilo -CH2-X (X= I,Cl, Br) 3.2-3.5 Alcoholes C-O-H 1-5 H-C-OH 3.4-4 Fenoles Ar-OH 4-4.7 Éteres -CH2-O- 3.3-4 Aldehídos -CHO 9-10 H-C-CO 2-2.7 Ácidos carboxílicos -COOH 10.5-13

Interpretación de espectros simples de 1H RMN Qué se puede obtener del espectro: 1- ¿Cuántos tipos de H hay? – Indicado por cuántos grupos de señales hay en el espectro 2.- ¿Qué tipos de H ? – Indicados por los desplazamientos químicos de cada grupo 3.- ¿Cuántos H hay de cada tipo? – Indicados por la integración de la señal de cada grupo

Ejercicio: ¿Qué información puede obtener del siguiente espectro sabiendo que la fórmula molecular del compuesto es C4H8O2 ?

3 entornos diferentes para los átomos de hidrógeno Los átomos de hidrógeno en estos tres ambientes están en una relación 2:3:3 Como son 8 hidrógenos, hay un grupo CH2 y dos grupos CH3 El grupo CH2 de 4.1 ppm tiene junto a él un grupo CH3 El grupo CH3 de 1.3 ppm tiene junto a él un grupo CH2 El grupo CH3 de 2.0 ppm tiene junto a él un carbono sin hidrógeno

RMN en Medicina RMN: mide protones de átomos de hidrógeno en moléculas de agua. Gran cantidad de agua existente en los tejidos blandos: RMN excelente para ver este tipo de tejidos. Ventajas sobre CT: (Tomografía Computada) . Excelente para diferenciar tejidos blandos . Imágenes pueden ser adquiridas directamente en cualquier orientación . No se usan radiaciones ionizantes, es inofensivo para el paciente. . Medios de contraste usados en RMN menos agresivos que en CT • Sistemas expuestos a radiación de muy baja energía (menos que térmica) • No se han demostrado efectos adversos . Más inocuo que RX

MR MR CT

Equipos

Microscopio Electrónicos Microscopios son grandes y complejos. Utilizan electrones en vez de luz y aumentan los objetos hasta 250.000 veces. electrones : tienen longitud de onda muchísimo más corta que la luz ordinaria, MEB: capaz de mostrarnos objetos del tamaño de los virus (óptico no) Trabaja examinando la superficie de un objeto con un delgado haz electrónico Imágenes: blanco y negro y colores falsos. Microscopio Electrónico de Barrido (MEB) : superficie de los objetos. Imágenes de gran aumento (más de cien mil veces) Muestra forma real de los objetos- detalles El microscopio electrónico de transmisión (MET): “iluminando”, un ejemplar en la platina con un haz de electrones y enfocando y aumentando la “imagen” con lentes magnéticas. Esta imagen electrónica, que es invisible, se transforma en una imagen normal, visible mediante una pantalla especial.  

virus del SARS (en rojo) en una célula huésped. síndrome respiratorio agudo severo Bacteria: Euprymna scolopes en falso color