2 Espectroscopía

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Química Analítica Diego Grassi
Espectroscopía
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Objetivos
• Describir la radiación electromagnética y la forma que interactúa con la 
materia.
• Brindar una introducción a las diferentes técnicas espectrométricas que 
se utilizan en química analítica.
• Describir brevemente la instrumentación utilizada.
• Brindar las herramientas necesarias para el análisis cuantitativo.
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Introducción
• Espectrometría:
Latín specere: observar
Latín metria: proceso de medir
• Espectroscopía: estudia la interacción de la radiación electromagnética con 
la materia
Espectrometrías:
Masas, movilidad iónica, etc
Espectroscopías:
UV-Vis, Infrarroja, Rayos X, etc
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Onda electromagnética
Descripción ondulatoria:
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Onda electromagnética
Descripción ondulatoria:
A
c = velocidad de propagación (3x1010 cm/s)
Relacionadas con la Energía 
que transporta la Onda
Relacionada con la 
Intensidad de la radiación
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Onda electromagnética
• Energía de la onda
𝐸 = ℎ𝜈 =
ℎ𝑐
𝜆
=
1.24
𝜆
ℎ : Constante de Planck (4,14 . 10-18 KeV.s-1)
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¿Qué es la espectroscopía?
• Estudio de la interacción entre la materia y la radiación electromagnética
• Cambio de energía interna de la materia por interacción con 
radiación electromagnética
Einterna  Eelectrónica + Evibracional + Erotacional
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¿Qué es la espectroscopía?
• Estudio de la interacción entre la materia y la radiación electromagnética
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/8b/Light_dispersion_conceptual.gif
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Vibraciones
Radiación electromagnética
Son una porción del espectro electromagnético:
Electrones
internos 
Electrones
externos Rotaciones y traslaciones moleculares
Cambios 
en Spin 
(nuclear)
Material/microwaves_en.jar
Material/microwaves_en.jar
Material/microwaves_en.jar
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Tipo de 
cambio 
cuántico
Tipo de 
espectroscopia
El espectro y las espectrometrías
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Interacción de la materia con 
radiación electromagnética
• Fenómenos espectroscópicos
➢Absorción
➢Emisión
➢Fluorescencia
• La materia sufre cambios en su energía interna en función de sus niveles CUANTIZADOS:
electrónicos, vibracionales, rotacionales. La energía de la radiación electromagnética 
debe estar relacionada con la diferencia entre la energía de estos niveles energéticos 
internos.
• Dispersión (Scattering) 
➢Elástica
➢Inelástica
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Interacción luz-materia:
Espectroscopias
• Cambio de energía interna de la materia por interacción con radiación 
electromagnética
• Einterna  Eelectrónica + Evibracional + Erotacional
Q h Qh h1
EMISIÓN ABSORCIÓN FLUORESCENCIA
h2
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Espectroscopías
Técnicas basadas en la absorción / emisión de radiación 
electromagnética por los átomos o moléculas de la muestra.
Información
Cualitativa  de absorción/ emisión
Cuantitativa Cantidad de radiación absorbida / emitida
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Análisis Cualitativo
• Las moléculas absorben radiación a determinadas 
longitudes de onda específicas
• El espectro es la representación gráfica de la 
fracción de luz absorbida o transmitida por la 
muestra en función de la longitud de onda.
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Luz incidente
P0
Luz transmitida
P1
celda con analito
Transmitancia T =
P1
P0
Análisis cuantitativo
Fuente 
de luz
Detector
camino óptico
▪Parte de la luz emitida por la fuente es absorbida por la 
muestra
▪La porción transmitida es medida por el detector
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%Transmitancia T% = T x 100 
0%T = absorción total 
100%T = transmisión total 
P0 P1
Transmitancia T =
P1
P0
Análisis cuantitativo
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A= (0%T) = absorción total 
A=0 (100%T) = transmisión total 
P0 P1 Transmitancia T =
P1
P0
Análisis cuantitativo
Absorbancia A = -log T
% Transmitancia
Absorbancia
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b
A = e  x b x C 
e  = absortividad o coeficiente de absorción
b = camino óptico (cm)
C = concentración de la especie absorbente

Si incide luz monocromática de 
longitud de onda  se verifica que:
Absorción y Ley de Beer
P0 P1
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CbA =  e
b
A
C

=


e
C
A
Absorción y Ley de Beer-Lambert
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Espectroscopía UV-Visible
Electrónica
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Espectrómetro UV-Vis
Dispersivo
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Comparación de espectrofotómetros
Convencional Array de diodos
Nótese la posición de la muestra en cada caso (óptica invertida)
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Funcionamiento conceptual del espectrómetro
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Fuentes de radiación
• Continuas 
• Para medición de absorción molecular
• Visible - NIR (350 a 2200 nm)
• Lámpara de tungsteno-halógeno
• Ultravioleta (160 a 380 nm)
• Lámpara de deuterio 
• De líneas espectrales
• Para medición de absorción atómica (HCL)
• Para calibración
• Lámpara de mercurio de baja presión
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Lámparas incandescentes
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Lámpara de Tungsteno
• La potencia en la región 
visible varía con la cuarta 
potencia de la tensión 
aplicada, por lo que es 
muy importante la 
estabilidad de la fuente 
de alimentación.
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Lámpara de W-halógeno
• Versión mejorada de las de tungsteno
• Mayor potencia y duración, menor tamaño
• Excelente estabilidad
• Rango espectral: 330 a 2500 nm (VIS y NIR)
• Radiancia máxima: 
~1000 nm (T= 2850 K)
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Lámpara de W-halógeno
• Las lámparas incandescentes tienen el problema de la 
evaporación del filamento de W, que se deposita en las 
paredes de vidrio más frías.
• La presencia de pequeñas cantidades de 
yodo o bromo evita este problema, 
permitiendo lámparas de menor 
tamaño, mayor rendimiento y duración.
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Lámpara de W-halógeno
•Ciclo regenerativo del halógeno
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Lámpara de deuterio
• Lámpara de descarga
• Espectro continuo de 160 a 375 nm (UV)
• Líneas espectrales a λ = 486.0 y 656.1 nm 
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Lámpara de deuterio
• Cuando se somete H2 o D2 a baja presión a una descarga eléctrica, 
se genera una molécula en estado excitado, que a continuación se 
disocia para dar 2 átomos de H o D y un fotón UV: 
D2 + e
-
→ D2
*
→ D’ + D’’ + hν
• El balance de energía para el proceso es:
Ee = ED2* = ED’ + ED’’ + hν
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Lámpara de deuterio
• La suma de las energías cinéticas de los dos átomos de D puede 
variar desde cero hasta ED2*
• El valor de hν también puede variar entre esos mismos valores
• Se obtiene entonces un espectro continuo entre 160 y 375 nm 
aproximadamente
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Selección de longitudes de onda
• El selector restringe el rango de longitudes de onda de la 
radiación que incide sobre el analito.
• Cuanto menor el rango, mayor adherencia a la Ley de Beer.
• Cada selector tiene un ancho de banda nominal efectivo.
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Selección de longitudes de onda
• El ancho de banda efectivo 
es el rango de longitudes de 
onda en el que la 
transmisión es mayor que la 
mitad del valor máximo.
ancho de banda efectivo = λ2 – λ1
λ2λ1
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Ancho de banda efectivo
Espectros de vapor de benceno, con anchos de banda 0.1 y 1.0 nm
• Afecta la calidad de los espectros y 
la exactitud de los resultados.
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Red de difracción
• La mayoría de los monocromadores actuales usa una 
red de difracción reflectante.
• La red consiste en una superficie óptica planapulida 
sobre la que se graban líneas paralelas igualmente 
espaciadas.
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Red de difracción
Imagen AFM de una 
red holográfica 
(Shimadzu)
900 líneas/mm, ángulo 
de blaze 33º (1200nm)
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Red de difracción
𝒏𝝀 = 𝒅 𝑺𝒆𝒏 𝜽𝒊 − 𝑺𝒆𝒏 𝜽𝒅
𝜽𝒊
• A mayor n, mayor 
dispersión angular.
• A menor d, mayor 
dispersión angular.
• A mayor n, menor 
intensidad.
• nλ=cte, la radiación sale 
en un mismo ángulo
𝒅
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Selección de longitudes de onda
• El selector restringe el rango de longitudes de onda de la 
radiación que incide sobre el analito.
• Cuanto menor el rango, mayor adherencia a la Ley de Beer.
• Cada selector tiene un ancho de banda nominal efectivo.
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Selección de longitudes de onda
• El ancho de banda efectivo 
es el rango de longitudes de 
onda en el que la 
transmisión es mayor que la 
mitad del valor máximo.
ancho de banda efectivo = λ2 – λ1
λ2λ1
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Detectores fotosensibles
• Deben tener
•Respuesta lineal
•Sensibilidad suficiente en el 
rango espectral de interés 
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Cuando un fotón alcanza el 
cátodo fotosensible, se 
libera un electrón que es 
acelerado hacia el ánodo. 
Se mide la corriente. 
Efecto fotoeléctrico
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Cuando un fotón 
alcanza el cátodo 
fotosensible, se 
libera un electrón 
que es acelerado 
hacia el ánodo.
Efecto fotoeléctrico
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Efecto fotoeléctrico
Características de respuesta 
espectral para metales 
alcalinos.
Se observa una progresión 
regular en el orden de 
números atómicos.
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Cada dínodo está a un 
potencial más positivo que 
el anterior, produciéndose 
un efecto de multiplicación 
de electrones y aumentando 
la sensibilidad.
Tubo Fotomultiplicador (PMT)
Los electrones liberados 
en el fotocátodo son 
acelerados hacia los 
dínodos, arrancando más 
electrones. 
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Tubo Fotomultiplicador (PMT)
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Tubo Fotomultiplicador (PMT)
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Generan una diferencia 
de potencial que es 
función de la potencia 
de la luz incidente.
Celdas Fotovoltaicas
base de 
hierro
plata 
selenio
base de hierro
ventana de vidrio
hν
+ -
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Celdas Fotovoltaicas
• Amplio rango espectral 
• Excelente linealidad
• Bajo ruido y deriva 
• Respuesta rápida
• Pequeñas y económicas
• Menos sensibilidad que el PMT
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Se fabrican diodos de Si pn, que 
conducen la electricidad en un sentido y 
no en otro. 
Un diodo de Si polarizado en forma 
inversa puede ser usado como detector de 
radiación, porque los fotones UV-VIS tiene 
suficiente energía para crear electrones 
libres y huecos adicionales cuando inciden 
sobre la capa vacía de la unión pn.
El aumento de la conductividad es 
proporcional a la potencia radiante.
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a) Sin tensión aplicada
b) Con polarización directa entre los 
electrodos
c) Con polarización inversa (negativa)
d) Generación de corriente resultante del 
impacto de un fotón en el área de despoblación
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Longitud de onda (nm)
Fo
to
se
n
si
b
ili
d
ad
 (
A
/W
)
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Longitud de onda (nm)
Fo
to
se
n
si
b
ili
d
ad
 (
A
/W
)
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Transiciones electrónicas en moléculas 
orgánicas
anti-enlazantes
no-enlazante
enlazantes
EN
ER
G
ÍA
TransicionesNiveles de Energía
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Definiciones
• Cromóforo
• Cualquier grupo de átomos que absorben luz sin importar si se produce 
“color” o no
• Auxocromo
• Grupo que extiende la conjugación de un cromóforo compartiendo 
electrones no enlazantes
X
Chromophore Auxochromecromóforo auxocromo
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Definiciones
Efecto hipocrómico
Disminución de la intensidad de absorción
ε
λ➔ Corrimiento batocrómico
Desplazamiento de la absorción hacia mayores long. de onda
λ Corrimiento hipsocrómico
Desplazamiento de la absorción hacia menores long. de onda
ε Efecto hipercrómico
Incremento de la intensidad de absorción
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Transiciones electrónicas
A medida que aumenta el 
número de orbitales atómicos, 
la diferencia de energía entre 
los OM resultantes disminuye, 
lo que permite la absorción de 
luz de menor energía (mayor 
λ). 
Como resultado, los 
compuestos orgánicos con 
largas cadenas de C y 
alternancia de simple y dobles 
enlaces, tienden a ser más 
“coloreados” a medida que 
aumenta el número de dobles 
enlaces.
➔corrimiento batocrómico  efecto hipercrómico
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Transiciones electrónicas
• Desplazamiento batocrómico
En moléculas con sistemas π conjugados extendidos, 
el ΔE HOMO-LUMO se hace tan pequeño que la absorción 
ocurre en el visible en lugar del UV. 
El beta-caroteno, con su sistema de 11 dobles 
enlaces conjugados, absorbe en la región azul del 
espectro, razón por la cual las zanahorias se ven de 
color naranja.
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Resumiendo …
• Transiciones σ→σ*
Un electrón en un orbital σ enlazante es excitado al orbital antienlazante σ* 
correspondiente. La Energía requerida es alta. Por ejemplo, el metano (que sólo 
tiene uniones C-H y sólo puede tener transiciones σ→σ*) muestra un λmax=125 nm, 
fuera del rango de los espectrofotómetros (200 - 800 nm)
• Transiciones n→σ*
Compuestos conteniendo átomos con pares sueltos (electrones no-enlazantes) 
pueden experimentar transiciones n→σ*. Estas transiciones en general necesitan 
menos E que las transiciones σ→σ* y pueden absorber en el rango de 150-250 nm. 
El número de grupos funcionales con picos n→σ* en la región UV es pequeño.
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Resumiendo …
• Transiciones n→π* y π→π* 
La mayor parte de la espectrometría de compuestos orgánicos está basada en estas 
transiciones, que caen en la región más conveniente para las mediciones (200 - 700 
nm). Estas transiciones requieren un grupo insaturado en la molécula.
Las absortividades molares para transiciones n→π* son relativamente bajas. Las 
transiciones π→π* dan picos de absorción más intensos:
• n→π* ε ≅10 a 100 L mol-1 cm-1
• π→π* ε ≅1000 a 10000 L mol-1 cm-1
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Espectros moleculares
• Las energías de los orbitales involucrados en las transiciones 
electrónicas están cuantizadas y tienen valores fijos, por lo que 
cabría esperar que los picos de absorción molecular en la región UV-
visible fueran agudos (como los de absorción atómica).
AA
AM
Sin embargo, se observan picos anchos o bandas de absorción.
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Espectros moleculares
• Esto se debe a que cada nivel electrónico de energía dispone de 
varios subniveles vibracionales y rotacionales, y las transiciones 
pueden ocurrir desde y hacia estos diferentes niveles. 
• Esto provoca un ensanchamiento de los picos de absorción.
niveles electrónicos 
rotacionales
niveles electrónicos 
vibracionales
En
er
gí
a
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Espectros moleculares
niveles electrónicos 
rotacionales
niveles electrónicos 
vibracionales
En
er
gí
a
Diferencias de Energía entre ΔΕ
Niveles electrónicos 100 kJ.mol-1
Niveles vibracionales 1 kJ.mol-1
Niveles rotacionales 0.01 kJ.mol-1
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E0
E1
ÁTOMO
E0
E1
V0,2
V0,1
V0,0
V1,2
V1,1
V1,0
MOLÉCULA
LÍNEA
BANDA
D
D

A

A
20-30nm
<0.01nm
DE = hc/
Átomos y moléculas
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Vibraciones en sistemas moleculares 
poliatómicos
• Las uniones entre los átomos en una molécula están en continua vibración.
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Espectroscopía InfrarrojaVibracional
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Esquema de un IR por transformada de 
Fourier
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Esquema de un IR por transformada de 
Fourier
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Funcionamiento de un interferómetro
Archivos/FTIR.swf
Archivos/ftir2.swf
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Tipos de vibraciones moleculares
• Estiramiento (Stretching)
• Cambio continuo de la distancia interatómica a lo 
largo del eje de la unión entre dos átomos. 
• Flexión (Bending)
• Cambio en el ángulo entre dos uniones
• Cuatro tipos de flexión: 
scissoring, rocking, wagging y twisting
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Estiramiento antisimétrico
Estiramiento simétrico Flexión en el plano
SCISSORING ROCKING
Flexión fuera del plano
WAGGING TWISTING
Tipos de vibraciones moleculares
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Vibraciones en un sistema molecular poliatómico
• Los movimientos de vibración de una 
molécula se pueden descomponer en 
oscilaciones en las que los átomos se 
mueven en fase y que se llaman 
modos normales o fundamentales 
de vibración, cada uno de los cuales 
tiene una frecuencia característica.
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Vibraciones en una molécula biatómica
• Una molécula biatómica sólo poseerá un modo de vibración, 
que será el de estiramiento a lo largo del enlace. 
• La deformación no existe ya que correspondería a una rotación.
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Vibraciones en un sistema molecular poliatómico
• Si la molécula tiene más de dos átomos, los posibles modos de 
vibración aumentan de manera considerable, llegando a 
➢(3n-5) modos vibracionales en moléculas lineales,
➢(3n-6) modos vibracionales para moléculas no lineales más complejas, 
donde n es el número de átomos que 
forman la estructura. 
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Modos Fundamentales de Vibración
Para una molécula lineal: 3N - 5CO2
Estiramiento antisimétrico:
2349 cm-1
Flexión en el plano: 
667 cm-1
Flexión fuera del plano:
667 cm-1
Estiramiento simétrico:
1340 cm-1
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Modos Fundamentales de Vibración
Para una molécula no-lineal: 3N - 6H2O
Estiramiento 
antisimétrico:
3756 cm-1
Flexión en 
el plano: 
1596 cm-1
Estiramiento 
simétrico:
3652 cm-1
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Frecuencia Vibracional
Frecuencia vibracional de un sistema diatómico
donde
k : constante de fuerza de la unión
m : masa reducida
c : velocidad de la luz
( )
21
21
2
1
2
1
mm
mmkk
vm

+
==
m
m
k
c
vm
2
1
=
Expresión del número de onda
C−C k = 500 N/m 
C=C k = 1000 N/m 
CC k = 1500 N/m 
m1
m2
http://www.colorado.edu/physics/2000/applets/fieldwaves.html
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Frecuencia Vibracional
vm =
1
2pc
k
m
Dependencia de ν con k y μ
C C C=C C–C
2150 cm-1 1650 cm-1 1200 cm-1
C–H C–C C–O C–Cl C–Br C–I
3000 cm-1 1200 cm-1 1100 cm-1 800 cm-1 550 cm-1 500 cm-1
==
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Frecuencia Vibracional
Efectos de hibridización:
≡C–H 
sp
=C–H 
sp2 
–C–H 
sp3 
3300 cm-1 3100 cm-1 2900 cm-1
–C–H 
estiramiento 
-C–H 
flexión
3000 cm-1 1340 cm-1
Flexión menor fuerza que estiramiento:
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Frecuencia Vibracional
C=O
estiramiento en 
cetona normal
Cetona conjugada con doble enlace
1715 cm-1 1680 cm-1
Efectos de resonancia:
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Sobretonos y bandas de combinación
Ej: agua
ν cm–1 Intensidad Interpretación 
1595.0 Muy fuerte ν2 Fundamental 
3151.4 Media 2ν2 Sobretono
3651.7 Fuerte ν1 Fundamental 
3755.8 Muy fuerte ν3 Fundamental 
5332.0 Media ν2 + ν3 Combinación 
6874.0 Débil 2ν2 + ν3 Combinación 
_
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Reglas de Selección (restricciones) 
• Las vibraciones moleculares producen oscilaciones en las cargas 
eléctricas con frecuencias gobernadas por las frecuencias normales 
de vibración del sistema.
• Un dipolo molecular oscilante puede interaccionar directamente 
con una radiación electromagnética de la misma frecuencia, 
produciendo la absorción de energía por resonancia.
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Reglas de Selección (restricciones) 
Sólo ciertos modos de vibración serán “IR-activos”, 
es decir que absorberán radiación IR y aparecerán 
como una banda en el espectro vibracional:
IR-ACTIVONO ACTIVO
Sólo los modos que involucran cambios en 
el momento dipolar durante la vibración 
serán IR activos 
CO2
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Reglas de Selección (restricciones) 
IR es una espectroscopía de resonancia. 
Una molécula con un modo normal de vibración de frecuencia ω 
y diferencia de energía entre niveles vibratorios hω absorbe un 
fotón de energía hν cuando ω=ν. 
hν= hω
v=1
v=0
La absorción representada en la 
figura corresponde a una banda 
fundamental (v = 0 → v = 1)
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Reglas de Selección (restricciones) 
• Sólo están permitidas las transiciones entre estados vibracionales 
consecutivos: Δv = ±1. Al ser el IR en general una espectroscopía de 
absorción, y no de emisión, Δv = +1
• La banda más importante de un modo de vibración es la debida a la 
transición entre el estado más poblado y el primer estado excitado: 
v = 0 → v = 1 y recibe el nombre de banda fundamental
• La vibración molecular tiene que producir un dipolo oscilante para 
que pueda absorber energía. Así las vibraciones v2 y v3 del CO2 son 
activas en el IR, mientras que v1 es inactiva. 
• Una vibración molecular da lugar a una banda activa en el IR si, y sólo 
si, la simetría de la vibración es la misma que la de una o más 
coordenadas x, y, z 
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Intensidad de las bandas
• La intensidad de una banda de absorción IR 
es proporcional al cuadrado de la variación 
del momento dipolar (µ) durante la vibración 
e inversamente proporcional al cuadrado de 
la distancia interatómica (r) 
Coeficiente de absorción molar e dmdr
2
a{ }
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Absorción de radiación IR
• Cuando una molécula es irradiada con radiación IR, la unión 
vibrante absorberá energía si la frecuencia de la radiación 
coincide con la frecuencia vibracional.
• Para que se produzca la absorción, la molécula debe 
experimentar un cambio neto en su momento dipolar como 
consecuencia de los movimientos vibracionales o rotacionales.
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¿Qué información podemos obtener de un espectro IR?
• Cada pico tiene una forma definida y una frecuencia característica, con 
una altura dada dependiendo de la concentración.
• Estos 3 parámetros nos permiten :
• Identificar las sustancias de la muestra
• Determinar su concentración. 
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Usos de la espectrofotometría IR
• Análisis Cualitativo
• Identificación de materiales
• Determinación de estructuras
• Comparación entre productos
• Análisis Cuantitativo
• Determinación de la composición de una muestra
• Determinación de una o varias propiedades de una 
muestra
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frecuencia (cm-1)
longitud de onda (μm)
e
st
ir
a
m
ie
n
to
s
fl
e
x
io
n
e
s
Región de frecuencias de grupos Región de impresión dactilar
Regiones del IR Medio