UES FQF Ciclo II%2015 Practica # 3 Espectroscopia Infrarroja

ANALISIS INSTRUMENTAL

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TEMA: ESPECTROSCOPIA DE ABSORCIÓN EN EL INFRARROJO 1.1 FUNDAMENTO TEORICO La región infrarroja del espectro incluye la radiación con números de onda comprendidos entre los 12800 y los 10 cm-1, lo que corresponde a longitudes de onda de 0.78 a 1000 m. Tanto desde el punto de vista de las aplicaciones como de los instrumentos, es conveniente subdividir el espectro infrarrojo en tres regiones denominadas: infrarrojo cercano, medio y lejano. Hasta la fecha, la gran mayoría de las aplicaciones analíticas se han restringido al uso de una parte de la región del infrarrojo medio comprendida entre los 4000 y los 400 cm-1 (de 2.5 a 25 m). Sin embargo en la literatura analítica actual se van encontrando un número creciente de aplicaciones de la espectroscopia infrarroja cercana y lejana. La espectroscopia infrarroja tiene una gran aplicación en el análisis cualitativo y cuantitativo. Su principal utilización ha sido la identificación de compuestos orgánicos, que por lo general presentan espectros complejos en el infrarrojo medio con numerosos máximos y mínimos que resultan útiles al efectuar comparaciones. En muchos casos, el espectro infrarrojo medio de un compuesto orgánico proporciona una huella única, con unas características que se distinguen fácilmente de los modelos de absorción de otros compuestos; sólo los isómeros ópticos absorben exactamente de la misma forma. Para que una molécula absorba radiación infrarroja debe experimentar un cambio neto en el momento dipolar como consecuencia de su movimiento vibratorio o rotatorio, pudiendo así actuar recíprocamente, el campo alternativo de la radiación, con la molécula, y causar cambios en su movimiento. Cuando la frecuencia de la radiación iguala a la frecuencia de una vibración o rotación natural de la molécula, ocurre una transferencia de energía que da como resultado un cambio en la amplitud de la vibración molecular y por tanto absorción de la radiación. El análisis por espectroscopia de absorción infrarroja se aplica principalmente en el campo de la elucidación de estructuras y en la determinación de las fuerzas de enlace, así como en los controles de calidad e identidad y para seguir procesos de reacción. Además de su aplicación como herramienta para el análisis cualitativo, las medidas en el infrarrojo también están encontrando un uso cada vez mayor en el análisis cuantitativo. En este caso, su elevada selectividad a menudo hace posible la cuantificación de una sustancia en una mezcla compleja, no siendo necesario una separación previa. El principal campo de aplicación de este tipo de análisis se halla en la cuantificación de contaminantes atmosféricos que provienen de procesos industriales.

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Otra utilización importante de la espectroscopia de absorción en el infrarrojo es como sistema de detección en cromatografía de gases, donde su potencial para la identificación de compuestos se combina con la notable capacidad de separación de los componentes de mezclas complejas que presentan la cromatografía de gases. 1.2

PROCESO ANALITICO 1.2.1 VERIFICACIÓN SEMANAL DEL ESPECTROFOTÓMETRO INFRARROJO. Correr el espectro de poliestireno con el objetivo de determinar su funcionamiento. El espectro del poliestireno contiene información suficiente para determinar la exactitud del aparato y su calibración. ESPECTRO DE ENERGÍA DEL BARRIDO REALIZADO AL AIRE EN EL EQUIPO ESPECTRO DE CALIBRACION DEL POLIESTIRENO

1.2.2

TECNICAS DE PREPARACION DE MUESTRAS Ciertas técnicas de manipulación de las muestras son más eficaces que otras para tipos de muestras específicas. Con el fin de obtener el mejor espectro de la muestra, es importante saber cuál manipulación técnica funciona mejor para una muestra. La adquisición de los mejores datos espectrales dará más confianza en los resultados. Existen cuatro técnicas de manipulación de muestras con un fin específico por lo que se debe conocer: cómo funcionan, qué tipos de muestras se pueden analizar y las ventajas de utilizar cada técnica. Estas son: - Transmisión - Reflectancia Total Atenuada (ATR) - Reflectancia Difusa - Reflectancia Especular Las más utilizadas son: el método de Transmisión y la Reflectancia Total Atenuada. -

REPARACIÓN DE MUESTRAS POR TRANSMISION Una parte sencilla, pero importante en la obtención de espectros infrarrojos es la preparación de muestras, ya que de ellas depende, así como del espectrofotómetro utilizado la calidad del espectro obtenido.

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Pueden registrarse espectros infrarrojos de compuestos gaseosos, líquidos, sólidos y de soluciones. La sustancia cuyo espectro se desea obtener, se coloca en una celda adecuada, entre la fuente de radiación infrarroja y la rendija del monocromador. -

ESPECTRO DE GASES Los espectros infrarrojos de sustancias en fase gaseosa difieren bastante de las correspondientes a fases condensadas, debido principalmente a la libre rotación de las moléculas y a que las interacciones intermoleculares son mínimas en los gases, esto da lugar en los espectros de compuestos sencillos a la aparición de una estructura fina de bandas, debido a las líneas de rotación, que desaparecen por completo en los espectros de fases condensadas. Las celdas de absorción para gases están formadas por un tubo metálico o más corrientemente de vidrio a cuyos extremos van pegadas las ventanas de material transparente (normalmente de NaCl o KBr). La celda está provista de una o dos llaves para la entrada y salida del gas, operación que suele realizarse mediante una instalación ordinaria de vacío. La longitud más conveniente de las celdas para gases es de 5 – 10 cm.

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ESPECTROS DE LÍQUIDOS Se utilizan dos tipos de celdas: desmontables y fijas. En las celdas desmontables se colocan de 2 a 3 gotas de muestra líquida en estudio, entre dos ventanas de material transparente, el espesor aproximado de la película se regula mediante un separador de plomo, estaño o teflón de grosor adecuado (entre 0.005 y 0.1 mm). Las celdas fijas o de espesor fijo son análogas a las desmontables, pero el separador va pegado herméticamente a las dos celdas utilizando separadores de estaño o plomo amalgamados. Una de las ventanas lleva dos finos conductos (aproximadamente 1 mm de diámetro) que sirve para llenar la celda mediante un capilar o una jeringa de inyección. El material de las ventanas puede ser: Cloruro de sodio (0.2 a 16µ), Bromuro de potasio (1.0 a 25µ), Yoduro de cesio (0.1 a 50µ), Cloruro de plata (2.5 a 22 µ), con estos materiales, no debe emplearse en ningún caso solventes líquidos, acuosos o alcohólicos. En el análisis de soluciones acuosas se pueden utilizar ventanas de fluoruro de calcio (2.1 a 8µ) y de Itran 2 (0.6 a 14µ). Para obtener buenos resultados es preciso seguir minuciosamente la pauta en las técnicas preparativas así como las condiciones experimentales referidas al espectrofotómetro, pues dada su sensibilidad la variación de estas, supone diferencias que en algunos casos pueden ser importantes, sobre todo en el aspecto cuantitativo. a. SOLVENTES PUROS - SOLVENTES NO POLARES: En las celdas con ventanas de NaCl o de KBr, aplique una gota de solvente, monte la celda, corra el espectro de la muestra y determine la identidad con la bibliografía adecuada. -

SOLVENTES POLARES: utilice ventanas de celdas de Fluoruro de Bario, Itran y continúe con el procedimiento de análisis. También se pueden utilizar métodos por reflexión como por ejemplo el uso de unidad ATR.

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b.

PREPARACIÓN DE SOLUCIONES Las muestras sólidas pueden registrarse también en forma de solución en un solvente apropiado. El principal inconveniente es encontrar un solvente que sea transparente en la región a estudiar. Por ello, para obtener el espectro completo de una sustancia disuelta es necesario utilizar por lo menos, 2 solventes elegidos adecuadamente. Los compuestos más transparentes en infrarrojo son los formados por pequeñas moléculas no polares, con átomos pesados, siendo el CS2 y el CCl4 los solventes más utilizados. Es necesario disponer de parejas de celdas construidas con cuidado para asegurar idéntico espesor si se trabaja en equipos dispersivos. La muestra de este caso, se prepara como una muestra líquida, usando celdas desmontables.

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ESPECTROS DE SÓLIDOS Cuando la muestra es un sólido se puede preparar: A)

PREPARACIÓN DE PASTILLAS DE BROMURO DE POTASIO El dispositivo de prensa está diseñado para presionar una mezcla de bromuro de potasio y la muestra problema, en un disco delgado de 13 mm de diámetro, el cual se usa en la determinación analítica. La pastilla comprimida puede ser usada inmediatamente o conservada en atmósfera seca para determinaciones futuras. El dispositivo es capaz de soportar presiones de 25000 libras, sin embargo, está sujeta a corrosión y debe utilizarse debidamente para prevenir fracturas de sus componentes. El uso de Bromuro de potasio, calidad analítica, es lo más adecuado, ya que el material impuro nos dará interferencia, el KBr grado espectroscópico de Harshaw cuyo graneado va de 200–325 mallas, es el indicado y debe permanecer en un desecador o preferiblemente en una estufa al vacío a 105oC. PROCEDIMIENTO i. Secar el Bromuro de Potasio a 105° C por 1 hora. ii. Tomar aproximadamente 2 a 5 mg de muestra, previamente pulverizada y secada, con la punta de la microespátula y colocarla en el mortero de ágata. iii. Añadir más o menos 100 mg de Bromuro de Potasio iv. Mezclar bien y homogenizar en el mortero. v. Disponer el equipo para comprimir la pastilla vi. El dispositivo ya montado se coloca en la prensa, para comprimir, aplicándole 1 a 1 ½ tonelada métrica de presión. vii. Aplicar vacío durante 2 minutos, ya que de esta forma el KBr experimenta una especie de fusión obteniéndose una pastilla bastante transparente en la que la sustancia se encuentra en forma de dispersión de grano muy fino. viii. Aplicar de nuevo más presión hasta alcanzar de 2 a 2 ½ toneladas métricas por ½ minuto. ix. Quitar el vacío y luego la presión x. Tomar el dispositivo y colocar la pastilla en un soporte adecuado, luego tomar el espectro. La transferencia de las pastillas obtenidas dependen mucho de la humedad de la mezcla, por lo que conviene secar muy bien la sustancia y el KBr.

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B) PREPARACIÓN DE LA DISPERSIÓN EN NUJOL El líquido más comúnmente utilizado para dispersión es un aceite mineral que se conoce con el nombre de Nujól, éste es transparente en el infrarrojo excepto en las zonas de absorción características de los enlaces C–H aproximadamente 2950, 1450 y 1375 cm-1. Se debe usar Nujól (parafina líquida) calidad espectroscópica. PROCEDIMIENTO I. Colocar + 1 miligramo de muestra sólida en un mortero de ágata. II. Pulverizar la muestra III. Añadir 1 ó 2 gotas de Nujól, mezclar bien hasta formar una pasta homogénea. IV. Depositar una pequeña cantidad en la ventana con movimiento rotativo a manera de obtener una película fina evitando inclusión de aire, colocar en el dispositivo portador de celdas, luego correr el espectro. -

1.2.3

REFLECTANCIA TOTAL ATENUADA Un accesorio ATR opera mediante la medición de los cambios que ocurren en un haz de radiación IR reflejada internamente cuando el haz entra en contacto con una muestra. Un haz IR se dirige sobre un cristal ópticamente denso con un alto índice de refracción en un ángulo determinado. Esta reflectancia interna crea una onda evanescente que se extiende más allá de la superficie del cristal, llegando hasta la muestra mantenida en contacto con el cristal. En las regiones del espectro IR donde la muestra absorbe la energía, se atenúa la onda evanescente. Los rendimientos del haz atenuado al cristal, sale por el extremo opuesto del cristal y se dirige al detector en el espectrómetro de IR. El detector registra el haz IR atenuado como una señal interferograma, que luego puede ser utilizado para generar un espectro de IR. PROCEDIMIENTO DE ANALISIS

A.

MUESTRA A UTILIZAR: Acetaminofén Materia Prima

B.

OPERACIÓN DEL EQUIPO B.1 Encender el equipo presionando el botón negro ubicado en el lado inferior derecho. B.2 Encender la computadora y dejar que cargue Windows automáticamente. B.3 Ingresar al programa IR Solution y aparecerá la pantalla principal. B.4 Conectar el programa con el equipo seleccionando el comando Measurement –inicializar. B.5 Aparecerá en pantalla una ventana donde se pregunta si se desea remover el último espectro correspondiente al blanco (aire). B.6 Seleccionar que sí, ya que cada vez que se hace una lectura, se debe leer un blanco nuevo. B.7 Instalar el ATR y permitir el reconocimiento automático, instalar también el cristal del ATR.

C.

LECTURA DE BLANCO: Nombrar el blanco y seleccionar el comando BKG, aparece una ventana que indica que se prepare el compartimiento (verificar que éste se encuentre vacío) y dar click en aceptar. En pantalla se observa el espectro del aire.

D.

LECTURA DE MUESTRA: Colocar el estándar o la muestra en el compartimiento para muestra, nombrarla y seleccionar el comando Sample. Aparecerá en pantalla el espectro de la muestra.

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BUSQUEDA DE ESPECTROS EN LA BIBLIOTECA Con el fin de comparar e identificar el espectro obtenido, se hace una búsqueda en la biblioteca de espectros que posee el programa. Seleccionar el comando Search – Spectrum search, el programa compara el espectro obtenido con los almacenados en la biblioteca identificando de esta forma el compuesto en análisis.

1.2.4

Impresión del espectro obtenido: A. Generar una vista previa. B. Seleccionar plantilla C. Click en imprimir

1.2.5

CALCULOS

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Determinar la absorbancia del estándar y la muestra para el pico característico por el estándar. Calcular la Absorbancia del estándar y la muestra por el método de la línea base (anexar espectros con los trazos realizados) Determinar la concentración de la muestra comparándolo con el resultado del espectro del estándar. Calcular el porcentaje de pureza de la materia prima

1.3 EQUIPAMIENTO: Espectrofotómetro Infrarrojo IRAffinity-1 1.3.1 GENERALES: El interferómetro está protegido contra humedad por la óptica sellada, el sistema desecador automático y la capa protectora de humedad en el divisor de haz higroscópico. El IRAffinity-1 se sitúa en una pequeña huella de espacio, con suficiente para un compartimiento de la muestra/estándar que pueda incorporar los numerosos accesorios y, de esta manera, ofrecer la flexibilidad más grande posible para muchos y diversos usos. Cuando un accesorio está instalado en el IRAffinity-1, el software de IR Solution indica con el número de identificación correspondiente que el tipo se despliega y sugiere un sistema conveniente del parámetro. El instrumento de FTIR es controlado vía PC por una conexión del USB.

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UNIVERSIDAD DE EL SALVADOR FACULTAD DE QUIMICA Y FARMACIA DEPARTAMENTO DE ANALSIS QUIMICO E INSTRUMENTAL SECCION DE QUIMICA ANALITICA III HOJA DE RESULTADOS Nombres: Docente responsable: Nombre de la Práctica: Datos de Estándar:

Fecha: Datos de Muestra:

Pureza de Estándar:

Resultados obtenidos:

Cálculos:

Observaciones: Conclusiones:

Dictamen:

Bibliografía:

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