Espectroscopia rotacional y vibracional
La espectroscopia rotacional en la región de microondas mide cómo giran las moléculas, y la espectroscopia vibracional en el infrarrojo mide cómo se estiran y doblan sus enlaces, lo que en conjunto proporciona información estructural y de enlace precisa.
Definition
La espectroscopia rotacional y vibracional son las técnicas que investigan los niveles de energía rotacional y vibracional cuantificados de las moléculas mediante la absorción o dispersión de radiación de microondas, infrarroja y visible, revelando longitudes de enlace, constantes de fuerza y geometría molecular.
Scope
Este tema abarca la espectroscopia del movimiento nuclear: los modelos de rotor rígido y no rígido que proporcionan niveles de energía rotacional y longitudes de enlace a partir de espectros de microondas; los modelos de oscilador armónico y anarmónico que proporcionan frecuencias vibracionales y constantes de fuerza a partir de espectros infrarrojos; y la estructura rovibracional combinada. Incluye las reglas de selección generales y específicas que requieren un momento dipolar cambiante para el infrarrojo y una polarizabilidad cambiante para la dispersión Raman, los modos normales de las moléculas poliatómicas y el uso de frecuencias de grupo para la identificación. Las transiciones electrónicas y la resonancia magnética se tratan por separado.
Core questions
- ¿Cómo producen los niveles de energía rotacional las longitudes de enlace y los momentos de inercia?
- ¿Cómo explica el modelo de oscilador armónico los espectros vibracionales y por qué se necesita la anarmonicidad?
- ¿Qué reglas de selección distinguen las vibraciones activas en el infrarrojo de las activas en Raman?
- ¿Cómo se cuentan y caracterizan los modos normales de las moléculas poliatómicas?
Key concepts
- Rotor rígido y constantes rotacionales
- Oscilador armónico y anarmónico
- Modos normales de vibración
- Reglas de selección infrarroja y Raman
- Frecuencias de grupo y región de huella dactilar
Key theories
- Modelo de rotor rígido
- Tratar una molécula como un cuerpo rígido produce líneas rotacionales espaciadas uniformemente cuyo espaciado fija el momento de inercia y, por lo tanto, la longitud del enlace, con la distorsión centrífuga como una pequeña corrección en estados rotacionales altos.
- Oscilador anarmónico y reglas de selección infrarrojas
- Los enlaces reales vibran anarmónicamente, produciendo sobretonos y convergencia hacia la disociación; la absorción requiere un cambio en el momento dipolar, mientras que la dispersión Raman requiere un cambio en la polarizabilidad, por lo que las dos técnicas son complementarias.
Clinical relevance
La espectroscopia infrarroja y Raman proporcionan una identificación rápida y no destructiva de grupos funcionales y compuestos en el análisis químico, el control de calidad, la ciencia forense y la caracterización de materiales, mientras que la espectroscopia de microondas produce las geometrías precisas utilizadas en la química estructural y la detección de moléculas en el espacio interestelar.
History
Los estudios infrarrojos de la vibración molecular datan de principios del siglo XX y recibieron una interpretación cuántica en la década de 1920; el descubrimiento de Raman en 1928 de la dispersión inelástica abrió una vía complementaria, y el desarrollo de la espectroscopia de microondas después de la Segunda Guerra Mundial permitió una determinación altamente precisa de las geometrías moleculares.
Key figures
- Gerhard Herzberg
- C. V. Raman
- Walter Gordy
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Seminal works
- atkins2018
- banwell1994
Frequently asked questions
- ¿Por qué el dióxido de carbono es activo en el infrarrojo aunque no tiene un momento dipolar permanente?
- La actividad infrarroja requiere que una vibración cambie el momento dipolar, no que exista un dipolo permanente; los modos de estiramiento asimétrico y de flexión del dióxido de carbono crean un dipolo transitorio, razón por la cual también actúa como gas de efecto invernadero.
- ¿Cómo se complementan la espectroscopia infrarroja y Raman?
- Una vibración es activa en el infrarrojo si cambia el momento dipolar y activa en Raman si cambia la polarizabilidad; en moléculas con un centro de simetría, estas son mutuamente excluyentes, por lo que los dos métodos juntos revelan modos que ninguno de ellos por sí solo puede detectar.