Espectros rotacionales y vibracionales

Los espectros rotacionales en la región de microondas y los espectros de vibración-rotación en el infrarrojo surgen de transiciones entre los niveles de movimiento nuclear de una molécula y revelan sus longitudes de enlace y constantes de fuerza.

Definition

Los espectros rotacionales y vibracionales son los espectros de absorción o emisión producidos por transiciones entre los niveles rotacionales de una molécula (región de microondas) o entre los niveles de vibración-rotación (región infrarroja), permitidos cuando la transición cambia el momento dipolar eléctrico de la molécula.

Scope

Este tema abarca la espectroscopia rotacional pura en la región de microondas y la espectroscopia de rotación-vibración en el infrarrojo: las reglas de selección que requieren un momento dipolar cambiante, las líneas rotacionales igualmente espaciadas, las ramas P, Q y R de una banda de vibración-rotación, y la extracción de constantes rotacionales, longitudes de enlace y frecuencias vibracionales a partir de las posiciones de las líneas. Trata tanto moléculas diatómicas como poliatómicas simples.

Core questions

• ¿Qué reglas de selección rigen las transiciones rotacionales puras y de vibración-rotación?
• ¿Por qué las líneas rotacionales aparecen casi igualmente espaciadas en la región de microondas?
• ¿Cuáles son las ramas P, Q y R de una banda infrarroja?
• ¿Cómo se obtienen las longitudes de enlace y las constantes de fuerza a partir de estos espectros?

Key concepts

• Dipolo permanente y actividad infrarroja
• Regla de selección rotacional ΔJ = ±1
• Constante rotacional y momento de inercia
• Ramas P, Q y R
• Fundamental vibracional y sobretonos
• Determinación de la longitud de enlace y la constante de fuerza

Key theories

Espectros rotacionales puros

Una molécula con un momento dipolar permanente absorbe microondas en transiciones con ΔJ = ±1, produciendo una serie de líneas casi igualmente espaciadas cuyo espaciado proporciona la constante rotacional y, por lo tanto, el momento de inercia y la longitud de enlace.

Bandas de vibración-rotación

Una vibración activa en el infrarrojo combinada con cambios rotacionales simultáneos produce una banda con ramas P (ΔJ = −1) y R (ΔJ = +1), y a veces una rama Q (ΔJ = 0), a partir de las cuales se determinan la frecuencia vibracional y las constantes rotacionales.

Clinical relevance

La espectroscopia infrarroja es una herramienta estándar para identificar grupos funcionales y monitorear reacciones en química, la espectroscopia de microondas proporciona las estructuras moleculares en fase gaseosa más precisas, y ambas son fundamentales para detectar y cuantificar gases de efecto invernadero y gases traza en la teledetección atmosférica y astroquímica.

History

Los espectros de banda infrarroja se midieron en el siglo XIX, pero solo se comprendieron después de que la mecánica cuántica proporcionara el esquema de niveles rotacionales y vibracionales a finales de la década de 1920. El desarrollo de técnicas de microondas durante y después de la Segunda Guerra Mundial convirtió la espectroscopia rotacional pura en el método más preciso para determinar geometrías moleculares.

Key figures

• Gerhard Herzberg
• Harald Bethe
• David Dennison

Seminal works

• herzberg1950
• hollas2004

Frequently asked questions

¿Por qué una diatómica homonuclear como el N₂ no tiene espectro infrarrojo o de microondas?

El N₂ no tiene un momento dipolar permanente, y su estiramiento simétrico no crea uno, por lo que ni su rotación ni su vibración pueden interactuar con la luz a través del mecanismo dipolar. Sin embargo, es detectable por dispersión Raman.

¿Qué indica el espaciado de las líneas rotacionales?

Las líneas están espaciadas por el doble de la constante rotacional, que es inversamente proporcional al momento de inercia. La medición del espaciado, por lo tanto, produce el momento de inercia y, para una molécula diatómica, directamente la longitud de enlace.