Metodele spectroscopice de analiza a compusilor organici

Metodele spectroscopice de analiza a compusilor organici pot fi utilizate in identificarea unor aspecte structurale ale acestora pe baza interpretarii informatiei obtinute in urma inregistrarii unor spectre de absorbtie a radiatiei electromagnetice capabile sa transfere compusilor organici cantitati cuantificate de energie.

Radiatia electromagnetica este o forma de energie care poate fi descrisa cu ajutorul a doua teorii complementare ale fizicii:

Radiatia electromagnetica are proprietatile unei unde caracterizate prin:

lungimea de unda (distanta pe care functia sinusoidala care descrie propagarea prin spatiu a fortelor electrice alternante si a campului magnetic asociat parcurge un ciclu) exprimata in metri [m] sau submultipli ( adesea nanometri: 1nm =10^-9 m).

numarul de unda /λ (numar de cicluri pe unitatea de lungime) exprimat in [m^-1] sau adesea in submultipli [cm^-1].

frecventa (numar de cicluri pe secunda) poate fi calculata cunoscand viteza de propagare constanta in spatiul vid, c = 2,998 ^. 10⁸ m/s, conform relatiei ν = c/λ; unitatea de masura pentru frecventa: s^-1=Hz.

2. Radiatia electromagnetica are proprietati de corpuscul

energia transportata de un foton este dependenta de lungimea de unda a radiatiei electromagnetice prin relatia:

E = hc/λ = hν

(unde h este constanta lui Plank si are valoarea 6,626 ^. 10^-34 Js)

Valorile energiei pot fi exprimate in:

-jouli [J],

-jouli per mol [Jmol^-1] (energia transportata de un mol de fotoni se calculeaza prin multiplicarea valorii exprimate in J cu numarul de particule dintr-un mol (numarul lui Avogadro N=6,022 ^. 10²³ mol^-1),

-calorii [cal] (1cal = 4,186 J),

-electron volt [eV] (1eV=1,602 ^. 10^-19 J).

Spectrul electromagnetic total cuprinde lungimi de unda situate intr-un domeniu extrem de larg: de la radiatia cosmica (λ=10^-14 m) pana la undele radio (λ=10² m), sau curentul electric alternativ (λ=10⁶ m). Energiile transportate variaza de asemenea in limite foarte largi, de la valori foarte mari pentru radiatia cosmica pana la valori mici caracteristice radiatiei electromagnetice cu lungimi de unda mari. In figura 1 sunt redate principalele tipuri de radiatie electromagnetica caracterizate prin lungimea de unda.

Fig. 1. Principalele tipuri de radiatie electromagnetica.

In urma unei ciocniri favorabile dintre un foton si molecula unui compus organic, poate avea loc absorbtia cuantei electromagnetice; transferul de energie are loc numai atunci cand este indeplinita conditia de rezonanta (cantitatea de energie adusa de foton corespunde diferentei dintre doua nivele energetice determinate mecanic-cuantic ale moleculei), redata schematic in figura 2. Prin absorbtie de energie molecula trece pentru un timp foarte scurt intr-o stare excitata (stare de energie inalta), dupa care revine la starea fundamentala (stare de energie joasa) prin cedare de energie in cadrul proceselor de relaxare. Revenirea la starea fundamentala poate avea loc prin emisia unei cuante de radiatie electromagnetica sau, cel mai adesea, prin procese nonradiative in care energia este cedata mediului inconjurator sub forma de caldura.

Fig. 2. Tranzitii intre nivele energetice cuantificate ale unei molecule organice sub actiunea unei cuante de radiatie electromagnetica.

Relatia fundamentala ΔE=hν reprezinta forma specifica a legii conservarii energiei in spectroscopie.

Spectrele de absorbtie sunt reprezentari grafice ale intensitatii absorbtiei in functie de lungimea de unda, sau de alte marimi care caracterizeaza radiatia electromagnetica.

Interpretarea spectrelor de absorbtie presupune identificarea nivelelor energetice implicate in tranzitiile care au loc in cadrul proceselor de excitare/relaxare ale moleculelor si corelarea pozitiei, intensitatii si formei benzilor de absorbtie cu elemente structurale caracteristice ale moleculelor.

Atribuirea structurilor moleculare ale compusilor organici se poate face prin imbinarea informatiei obtinute prin interpretarea spectrelor de absorbtie a radiatiei electromagnetice din cateva domenii cheie redate in tabelul 1.

Tabel 1. Metode spectroscopice uzuale importante in atribuirea structurii moleculare a compusilor organici