Espectros Rotacionais e Vibracionais

Espectros rotacionais na região de micro-ondas e espectros de vibração-rotação no infravermelho surgem de transições entre os níveis de movimento nuclear de uma molécula e revelam seus comprimentos de ligação e constantes de força.

Definition

Espectros rotacionais e vibracionais são os espectros de absorção ou emissão produzidos por transições entre os níveis rotacionais de uma molécula (região de micro-ondas) ou entre os níveis de vibração-rotação (região do infravermelho), permitidos quando a transição altera o momento de dipolo elétrico da molécula.

Scope

Este tópico abrange a espectroscopia rotacional pura na região de micro-ondas e a espectroscopia de rotação-vibração no infravermelho: as regras de seleção que exigem uma mudança no momento dipolar, as linhas rotacionais igualmente espaçadas, os ramos P, Q e R de uma banda de vibração-rotação, e a extração de constantes rotacionais, comprimentos de ligação e frequências vibracionais a partir das posições das linhas. Ele trata tanto de moléculas diatômicas quanto de poliatômicas simples.

Core questions

• Quais regras de seleção governam as transições rotacionais puras e de vibração-rotação?
• Por que as linhas rotacionais aparecem quase igualmente espaçadas na região de micro-ondas?
• O que são os ramos P, Q e R de uma banda infravermelha?
• Como os comprimentos de ligação e as constantes de força são obtidos a partir desses espectros?

Key concepts

• Dipolo permanente e atividade infravermelha
• Regra de seleção rotacional ΔJ = ±1
• Constante rotacional e momento de inércia
• Ramos P, Q e R
• Fundamental vibracional e sobretons
• Determinação do comprimento de ligação e da constante de força

Key theories

Espectros rotacionais puros

Uma molécula com um momento de dipolo permanente absorve micro-ondas em transições com ΔJ = ±1, produzindo uma série de linhas quase igualmente espaçadas cujo espaçamento fornece a constante rotacional e, consequentemente, o momento de inércia e o comprimento da ligação.

Bandas de vibração-rotação

Uma vibração ativa no infravermelho combinada com mudanças rotacionais simultâneas produz uma banda com ramos P (ΔJ = −1) e R (ΔJ = +1), e às vezes um ramo Q (ΔJ = 0), a partir dos quais a frequência vibracional e as constantes rotacionais são determinadas.

Clinical relevance

A espectroscopia de infravermelho é uma ferramenta padrão para identificar grupos funcionais e monitorar reações em química, a espectroscopia de micro-ondas fornece as estruturas moleculares em fase gasosa mais precisas, e ambas são centrais para a detecção e quantificação de gases de efeito estufa e gases traço em sensoriamento remoto atmosférico e astroquímico.

History

Espectros de banda infravermelha foram medidos no século XIX, mas compreendidos apenas depois que a mecânica quântica forneceu o esquema de níveis rotacionais e vibracionais no final da década de 1920. O desenvolvimento de técnicas de micro-ondas durante e após a Segunda Guerra Mundial transformou a espectroscopia rotacional pura no método mais preciso para determinar geometrias moleculares.

Key figures

• Gerhard Herzberg
• Harald Bethe
• David Dennison

Seminal works

• herzberg1950
• hollas2004

Frequently asked questions

Por que uma molécula diatômica homonuclear como N₂ não possui espectro infravermelho ou de micro-ondas?

N₂ não possui momento de dipolo permanente, e seu estiramento simétrico não o cria, então nem sua rotação nem sua vibração podem interagir com a luz através do mecanismo de dipolo. No entanto, é detectável por espalhamento Raman.

O que o espaçamento das linhas rotacionais indica?

As linhas são espaçadas pelo dobro da constante rotacional, que é inversamente proporcional ao momento de inércia. A medição do espaçamento, portanto, fornece o momento de inércia e, para uma molécula diatômica, diretamente o comprimento da ligação.