componente practico espectroscopia 401539

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD

ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA Guía del Componente práctico del curso Espectroscopía-401539

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA

ESCUELA DE CIENCIAS BASICAS, TECNOLOGIA E INGENIERÍA

PROGRAMA DE QUÍMICA PURA

401539 - ESPECTROSCOPÍA

GUÍA DEL COMPONENTE PRÁCTICO

Nelson Jair Castellanos Márquez (Director Nacional)

Javier Eduardo Villamizar Rojas

Acreditador

Bucaramanga Febrero de 2013



ASPECTOS DE PROPIEDAD INTELECTUAL Y VERSIONAMIENTO

Las guías del componente práctico del curso de Espectroscopia fueron diseñadas en el año 2012 por el profesor y Doctor en Química Nelson Jair Castellanos Márquez, profesional vinculado a la UNAD desde el año 2011.

Este documento se puede copiar, distribuir y comunicar públicamente bajo las condiciones siguientes:

Reconocimiento. Debe reconocer los créditos de la obra de la manera especificada por el autor o el licenciador (pero no de una manera que sugiera que tiene su apoyo o apoyan el uso que hace de su obra).

No comercial. No puede utilizar esta obra para fines comerciales.

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Al reutilizar o distribuir la obra, tiene que dejar bien claro los términos de la licencia de esta obra.

Alguna de estas condiciones puede no aplicarse si se obtiene el permiso del titular de los derechos de autor.

Nada en esta menoscaba o restringe los derechos morales del autor.



Tabla de contenido

INTRODUCCIÓN 5

1 FICHA TECNICA 6

2 OBJETIVOS 7

2.1 OBJETIVO GENERAL 7

2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 7

3 PRÁCTICAS DE LABORATORIO 8

PRÁCTICA 1 8

PRÁCTICA 2 18

PRÁCTICA 3 24

PRÁCTICA 4 28

PRACTICA 5 48

PRÁCTICA 6 54

PRÁCTICA 7 62

4 ANEXOS 84

4.1 ORIENTACIONES PARA LA CONSTRUCCIÓN DE UN INFORMES DE LABORATORIO DE QUÍMICA ORGÁNICA 84



4.2 SOBRE LOS LABORATORIOS DEL CURSO DE

ESPECTROSCOPIA (401539) 85

4.3 SEGURIDAD EN EL LABORATORIO 86

4.4 MANEJO DE SUSTANCIAS QUÍMICAS 87

4.5 SÍMBOLOS DE PELIGROSIDAD 88



INTRODUCCIÓN

La presente guía del componente práctico, está diseñada para que el estudiante reconozca las diferentes aplicaciones del curso Espectroscopia, como asignatura del programa de Química de la Universidad Nacional Abierta y a Distancia, orientado por la Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería - ECBTI.

El documento presenta ocho (7) prácticas de laboratorio, especialmente propuestas para aplicar los conocimientos impartidos en la parte teórica del curso. Cada una de ellas está compuesta por una breve introducción, un marco referencial que aborda los aspectos teóricos mínimos a tener en cuenta en la realización del laboratorio, el objetivo general que se persigue, los materiales, equipos y reactivos necesarios para el desarrollo efectivo de la misma, así como la metodología, resultados esperados y precauciones a tener en cuenta.

El contenido de cada una de las prácticas fue seleccionado, teniendo en cuenta el tiempo y las competencias metodológicas mínimas que se esperaría debe alcanzar un estudiante de la Universidad UNAD en el campo de los análisis espectroscópicos.

Para el aprovechamiento de las prácticas del laboratorio se parte del hecho que el estudiante tiene un conocimiento previo de los principios generales de cada una de las técnicas a utilizar, del instrumental básico de laboratorio, así como de los principios básicos de química general vistos previamente.

Finalmente, las prácticas de laboratorio pretenden servir como complemento de aprendizaje autónomo a los aspectos revisados en la parte teórica, para lo cual es necesario entregar por cada una de ellas: un pre-informe de laboratorio que contenga la metodología propuesta en un diagrama de flujo, los materiales a utilizar, las ecuaciones químicas que intervienen en la práctica, los equipos y materiales que se usaran, las sustancias y ficha técnica de cada una y las tablas o cuadras de resultados que sea necesario completar en el desarrollo experimental.

Después de finalizada la sesión práctica el estudiante entregara un informe por cada práctica específica de laboratorio que alberge los resultados y análisis de los mismos en un documento que debe tener como estructura básica la siguiente: título, autor, resumen, introducción, materiales y metodología (Parte Experimental), resultados, análisis de resultados, conclusiones y referencias consultadas.

Para la realización de los mismos se recomienda realizar la práctica con el mayor cuidado y atención posible, apoyar este proceso por medio de lecturas y libros especializados en Química Instrumental y Analítica, ayudas audiovisuales y visitas a sitios web.



1 FICHA TECNICA

Nombre del curso: Métodos espectroscópicos de análisis

Código del curso académico:

401539

Palabras Clave: Química Instrumental. Identificación de compuestos

químicos. Métodos espectroscópicos de Análisis

Institución: Universidad Nacional Abierta y a Distancia - UNAD

Ciudad: Bucaramanga, Colombia

Autor del protocolo: Nelson Jair Castellanos Márquez

Año: 2013

Unidad Académica: Unidad de Ciencias Básicas, ECBTI

Campo de Formación: Disciplinar básica

Área del conocimiento: Ciencias Naturales, Área de Química

Créditos Académicos:

Tres (3) créditos, correspondientes a 144 horas de trabajo académico: 106 horas promedio de estudio

independiente 38 horas de acompañamiento y seguimiento tutorial

Tipo de curso: Metodológico

Destinatarios: Estudiantes de pregrado en Química

Competencia General de aprendizaje:

Conceptualizar en forma precisa el principio, manejo y aplicación práctica de las técnicas instrumentales más comunes para identificación y cuantificación de

compuestos químicos.

Metodología de oferta del laboratorio:

Presencial

Formato de circulación: Documentos impresos en papel con apoyo en Web,

CD – ROM, Campus Virtual

Denominación de las Unidades Didácticas:

1) Métodos espectroscópicos basados en la absorción de energía. 2) Métodos espectroscópicos basados en la emisión de energía 3) Otros métodos

espectroscópicos de aplicación.



2 OBJETIVOS

2.1 OBJETIVO GENERAL

Analizar, comprender y adquirir habilidad en el uso de diferentes métodos espectroscópicos de análisis para la identificación, seguimiento y cuantificación de compuestos químicos a través del uso de diferentes herramientas analíticas y espectroscópicas en el laboratorio.

2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Entender los conceptos básicos para el manejo de datos utilizando Excel, realizando gráficos que permitan presentar de forma clara y rápida los datos que se consideran más relevantes de una hoja de cálculo

Aplicar la técnica de espectroscopia Ultravioleta visible para obtener espectros de absorción Ultravioleta visible de diferentes compuestos y a partir del espectro determinar a) El coeficiente de absortividad molar k del colorante y b) la concentración de una muestra problema.

Determinar la composición de cafeína y algunos otros compuestos en bebidas comerciales usando la técnica espectroscópica de UV-Vis.

Reconocer la técnica espectroscópica de absorción Infraroja (IR), y aplicarla en la identificación de grupos funcionales en compuestos químicos.

Conocer y aplicar los principios teórico-prácticos de la espectroscopia de absorción atómica (AAS) en el análisis de minerales en productos comerciales.

Conocer y aplicar los principios teórico-prácticos de la espectrometría de masas - MS para la identificación de compuestos.

Conocer y aplicar los principios teórico-prácticos de la resonancia magnética nuclear (RMN) para la identificación de compuestos



3 PRÁCTICAS DE LABORATORIO

PRÁCTICA 1

Análisis y tratamiento de datos en hojas de cálculo

Duración Estimada

2 Horas

Núcleo Problémico

¿Se pueden identificar criterios para validar si los datos obtenidos en una medición son fiables?

Introducción

En la actualidad tanto las organizaciones como las personas constantemente necesitan manejar y manipular la información almacenada para poder obtener resultados correctos y garantizar la toma de decisiones oportunas en cada momento. En este sentido, las herramientas de análisis facilitan la toma de decisiones. Microsoft Excel ofrece distintas utilidades que permiten analizar la información de forma más sencilla. Estas herramientas son más útiles cuando la toma de una decisión depende de varios factores.

Las aplicaciones que permiten manejar hojas de cálculo, como Microsoft Excel u OpenOffice.org Calc, ofrecen funciones que ayudan a realizar análisis estadísticos de los datos mediante promedios, modas, medianas, máximos, varianzas, los cuales permiten evaluar la fiabilidad de una serie de datos.

Objetivo General:

Entender los conceptos básicos para el manejo de datos utilizando Excel y realizar gráficos que permitan presentar de forma clara y rápida los datos que se consideran más relevantes de una hoja de cálculo

Marco Referencial

1. Conceptos importantes

Variables discretas y continuas

La variable se representa mediante un símbolo, por ejemplo X, Y, Z, H, x, y, z, h. La variable puede asumir cualquier valor dentro de un conjunto de valores prescrito denominado dominio de la variable. Si la variable sólo puede asumir un valor, entonces se la denomina constante. Una variable que puede asumir cualquier valor entre los valores extremos del dominio se denomina variable continua, de lo contrario se llama variable discreta. Por ejemplo, el cantidad de



personas en el salón de clase puede asumir valores de 0, 1, 2, 3, 4, 5, etc., y hasta su máxima capacidad, pero no puede tener valores fraccionarios; por ejemplo 2,5 o 3,678. Esta es una variable discreta. Por el contrario, la cantidad en gramos de una sustancia en un recipiente, cuya capacidad máxima es de 2 gramos, puede tener valores fraccionarios limitados sólo por la sensibilidad del instrumento empleado para determinarla; así puede tomar valores desde 0 g, 1,1002 g, 1,50 g, etc.

En general las mediciones generan datos continuos mientras que los conteos generan datos discretos.

Notación científica o exponencial y uso de cifras significativas

Cuando se escriben cantidades, especialmente aquellas que expresan medidas muy grandes o muy pequeñas, conviene expresarlos como potencias de 10. Así por ejemplo, el Número de Avogadro – cantidad de partículas contenido en un mol- se expresa como 6,02 x 1023 partículas –átomos o moléculas; es decir: 602.000.000.000.000.000.000.000,0 partículas. El multiplicar al número 6,02 por la potencia de diez, 1023, tiene el efecto de desplazar la coma o indicador decimal del cantidad, veintitrés espacios o ceros hacia la derecha. Resulta pues evidente la conveniencia de expresar esta constante mediante la notación científica.

El peso de un átomo de carbono es 1,99513 x 10-23 g. Esta cantidad contiene seis dígitos; entendiendo por dígito a cada uno de los diez números básicos del sistema decimal (0-9). Una cifra significativa es un dígito que denota un valor discreto en el lugar de la cantidad en la que se encuentra.

El dígito 0 (cero) es una cifra significativa excepto cuando está ubicado delante de los restantes dígitos básicos del sistema decimal (1-9) o puede ser incorporado en una potencia de diez. De esta forma, el peso del átomo de carbono señalado anteriormente contiene seis cifras significativas, aún si no se usa la notación científica. De igual forma, el valor del peso de un mol de átomos de carbono señalado arriba, contiene seis cifras significativas. Se debe tener presente que se presentan dudas cuando varios dígitos con valor de cero preceden al indicador decimal; por ejemplo, el Número de Avogadro, ¿Contiene tres o veintitrés cifras significativas? Siendo que esta cantidad es una constante aceptada como 6,02x1023, el número de cifras significativas es 3. En otros casos, el número de



cifras significativas estará dado por la incertidumbre o apreciación del instrumento de medida.

El número de cifras significativas puede ser definido como el número de dígitos necesarios para expresar la incertidumbre asociada a una medida. De esta forma, las cantidades o valores observados deben ser recogidos hasta la primera cifra significativa con incertidumbre; es decir, hasta donde la apreciación o límite de detección del instrumento indique. Así, en la mayoría de los análisis los pesos se determinan hasta la décima de miligramo, por ejemplo, 1,0234 g; esto significa que el peso medido es menor que 1,0235 y mayor que 1,0233. Si este peso se expresa como 1,023 g, significa que se ha determinado el peso con una incertidumbre en el dígito correspondiente al miligramo (0,001 g) y que el peso medido se ubica entre 1,022 g y 1,024 g.

Cálculos y cifras significativas

Existen una serie de reglas que deben ser tomadas en cuenta al momento de manipular las cifras significativas cuando se efectúan cálculos:

i. Se deben recoger los valores hasta la primera cifra significativa con incertidumbre.

ii. Se deben redondear cantidades hasta el número correcto de cifras significativas.

iii. La suma o diferencia de cualesquiera cantidades no puede ser más precisa que la cantidad que tenga la mayor incertidumbre: 122,2 + 12,345 + 1,01 = 135,5

iv. El porcentaje de precisión del resultado de una operación de multiplicación o división no puede contener más cifras significativas que el porcentaje de precisión de la variable con la menor cantidad de cifras significativas, y el menor valor absoluto sin tomar en cuenta el indicador decimal (variable clave). Así, por ejemplo, en el cálculo siguiente:

La variable clave es 25,63; pues es la que posee la menor cantidad de cifras significativas y el menor valor absoluto; por lo tanto, el resultado debe expresarse como -47,35.



Redondeo de cifras significativas

- Si el dígito que sigue a la última cifra significativa es mayor que 5, ésta debe ser redondeada a la cantidad próxima mayor. Si en el cálculo anterior el resultado fuese -47,35691899, deberíamos redondear a -47,36

- Si el dígito es menor que 5, entonces la última cifra significativa queda inalterada y se eliminan todos los dígitos que la siguen. Ver el resultado del redondeo en el cálculo anterior.

- Si el dígito que sigue a la última cifra significativa es 5, la última cifra significativa es redondeada a la cantidad par más cercano:

Nociones de Estadística

Población: Conjunto de todos los individuos, objetos en estudio. Como

regularmente resulta imposible, o nada práctico, recoger los datos de una población, especialmente si ésta es muy numerosa, se recurre a la toma de una pequeña porción representativa denominada la muestra.

Tipos de datos, arreglos y frecuencias: Los datos pueden ser de dos tipos: datos en bruto o sin procesar y datos organizados o procesados. Un arreglo es un conjunto de datos organizados; la diferencia entre el mayor y el menor valor (límites superior e inferior) se denomina rango o intervalo de datos. Cuando se organizan grandes cantidades de datos, generalmente aparecen conjuntos de datos similares a los que se denomina clases o categorías. El número de datos pertenecientes a una determinada clase define la frecuencia de la clase. Al conjunto organizado de frecuencias se le denomina distribución de frecuencias y generalmente se representa mediante un gráfico de barras.

Promedios: Un promedio, es un valor que es típico o representativo de un conjunto de datos. Los promedios tienden a ubicarse de manera central dentro de un intervalo de datos. Se pueden definir varios tipos de promedios, de los cuales, los más comunes son: la media aritmética, la mediana y la moda. Cada uno tiene ventajas y desventajas dependiendo de los datos y del propósito de los cálculos.

a) La media aritmética

La media aritmética, o media, de un conjunto de N datos, x1, x2, x3, x4,...xN, se denota por x y se define como:



Si los mismos datos ocurren con cierta frecuencia f, entonces la media aritmética será:

b) La media aritmética ponderada

En ocasiones se asocia a los datos con ciertos factores ponderados (o pesos), w, que definen la importancia de los mismos o su significación. En estos casos la media adquiere un valor que difiere de la media aritmética y se define como:

c) La mediana y la moda

La mediana de un arreglo de datos (conjunto de datos acomodados) es el valor de en medio –si el número de datos es impar- o bien la media aritmética de los dos valores centrales –si el número de datos es par. Así, por ejemplo, el arreglo de números 3, 4, 4, 5, 6, 8, 8, 8, 10, tiene una mediana igual a 6; mientras, el arreglo 5, 5, 7, 9, 11, 12, 15, 18, tiene una mediana igual a (9+11)/2 = 10.

La moda de un conjunto de números es el valor que ocurre con mayor frecuencia; es decir el valor más común. La moda puede no existir en ciertos conjuntos, y si existe puede no ser única. Un conjunto que tiene una sola moda se denomina unimodal.

Dispersión de datos y error de una medida

El grado con el cual los diversos datos tienden a esparcirse respecto de un valor promedio se denomina dispersión, variación o precisión. Existen varias formas de calcular la dispersión de los datos, siendo las más comunes: el rango, la desviación estándar y la varianza.



a) El rango es la diferencia entre el límite superior y el límite inferior de un arreglo de datos.

b) La desviación estándar se define de la siguiente manera:

Generalmente se remplaza N por (N-1) cuando el número de datos es pequeño –como suele ocurrir van de 3 a 5 – ya que el valor resultante es una mejor estimación de la desviación estándar de los datos.

c) La varianza se define como el cuadrado de la desviación estándar.

Es imposible realizar un análisis químico sin que los resultados estén totalmente libres de errores. Sin embargo, es la función del químico minimizarlos y estimar su magnitud con una exactitud aceptable. Cada medición esta sujeta a muchas imprecisiones (errores) que cuando se combinan producen una diversidad de resultados alejados, en mayor o menor grado del valor verdadero. Sin embargo es posible determinar de imprecisión definiendo un intervalo de valores dentro del cual se encuentra centrado el valor verdadero.

En los análisis químicos es común encontrar al menos dos tipos generales de errores: (a) errores aleatorios o indeterminados y (b) los errores sistemáticos o determinados. Los errores aleatorios surgen como consecuencia de variaciones no controladas de variables experimentales; por ejemplo variaciones del voltaje de la red de energía eléctrica o las vibraciones causadas por vehículos al paso. Estos errores no tienen una magnitud o signo definido o constante. Por el contrario, los errores sistemáticos tienen un valor y signo definidos, y por tanto una causa común. Este error suele ser de mayor magnitud que el error aleatorio y ocasiona la mayor desviación respecto al valor real.

En las técnicas en las que la apreciación del investigador es necesaria, este error es, generalmente, el de mayor importancia; por ejemplo, al estimar el color de una solución, o la posición de una aguja entre dos divisiones de la escala de un instrumento, o la posición del menisco de un líquido en un matraz aforado.

El término precisión se emplea para describir la reproducibilidad o concordancia de las medidas. Un conjunto de medidas con alto grado de precisión implica un conjunto de valores poco dispersos y con valores de error aleatorio bajos.

El término exactitud indica que tan cercano esta una medición de su valor verdadero o aceptado. La exactitud se expresa en términos de error absoluto y error relativo. El error absoluto es la diferencia entre el valor hallado experimentalmente y el valor verdadero o aceptado como verdadero.



Donde xt es el valor verdadero y xi es el valor encontrado. El error relativo suele ser una medida más empleada y más útil, generalmente expresada en términos de porcentaje:

PRE-INFORME (Realizar antes de cada práctica)

El pre-informe debe contener la metodología propuesta en diagrama de operaciones, además de una síntesis que presente los aspectos teóricos que fundamenten la práctica que complemente a la ya discutida en este documento.

MATERIALES, EQUIPOS Y REACTIVOS

Un computador con el software Excel de Microsoft debidamente instalado.

METODOLOGÍA

Procedimiento: Para cada uno de los siguientes ejercicios realice los cálculos utilizando una hoja de Excel y sus comandos.

1. Los análisis de sangre se usan como rutina para ayudar al diagnóstico de enfermedades o como control de salud. Mediante los análisis se puede detectar la presencia de muchas enfermedades habituales y frecuentes como pueden ser la anemia, la diabetes, infecciones, pero también pueden dar a conocer otras menos frecuentes y más graves como la leucemia u otros tipos de cáncer. Los análisis de sangre de rutina habitual es un estudio hematológico (hematimetría o hemograma) con VSG (Velocidad de Sedimentación Globular), y un estudio de bioquímica en el que se miden la glucemia (azúcar en la sangre), el ácido úrico, la urea, las transaminasas, la bilirrubina, electrolitos, etc. Se realizó el análisis de sangre a tres pacientes, hombres adultos, a los cuales se les determinó la cantidad de hemoglobina, plaquetas y leucocitos. Cada análisis se realizó por triplicado. Los resultados de los análisis se muestran en la siguiente tabla.



Tabla 1. Resultados de análisis de sangre

a) Exprese los resultados de cada ensayo como X promedio, utilice las funciones

de Excel y compare con los cálculos realizados de forma detallada.

2. Si mediante un análisis externo, más confiable, se determinó que los valores reales son los que se muestran en la Tabla 2, determine los porcentajes de error para los resultados de la Tabla 1. Analice la precisión y la exactitud para los datos

obtenidos.

Tabla 2. Resultados de análisis de sangre

3. Para verificar la calidad de un medicamento (aspirina) producido por 10 laboratorios diferentes, se decidió determinar el contenido de ácido acetilsalicílico en pastillas que en la etiqueta decía que contenía 500 mg del ácido. Para cada laboratorio se analizaron cinco pastillas por HPLC (cromatografía líquida de alta resolución). Los resultados se presentan en la Tabla 3.



Tabla 3. Resultados del análisis de pastillas en mg

a) Usando una hoja de Excel, determine para cada laboratorio farmacéutico: el promedio, la mediana, la desviación media, error absoluto, % error relativo.

b) Elabore una tabla de resultados.

c) Grafique los datos y realice el análisis en cuanto a precisión y exactitud.

4. Durante una fermentación de soluciones de melaza con Saccharomyces cerevisiae (levadura para panificación) se observa que el contenido de etanol aumenta proporcionalmente a la producción de biomasa. Se monitoreo una fermentación de una solución de melaza durante cuatro horas cada 30 min., midiendo %v/v de etanol con alcoholímetro y biomasa en g/L por el método de peso seco. Los resultados se observan en la Tabla 4.

Tabla 4. Resultados del proceso de fermentación de alcohol y producción de Biomasa

a) Grafique los datos %v/v etanol vs Biomasa.

b) Determine la ecuación de la curva por mínimos cuadrados.

c) Determine el porcentaje de etanol que se obtendrá cuando se alcancen concentraciones de biomasa de: 1,8; 2,4 y 3,5 g/L.

d) Determine la cantidad de biomasa que se obtendrá en un fermentador de 30 litros cuando se alcance un 35 % de etanol.



Preguntas

¿Qué tipos de errores posibles cometen los laboratorios, en el proceso de producción de las pastillas?

Informe de Laboratorio (Realizar luego de la Práctica)

Revise los anexos para establecer la estructura que debe presentar el informe de laboratorio.

Bibliografía.

Rubinson, Kenneth A. y RUBINSON, Judith F. Análisis Instrumental. Madrid: Pearson-Prentice Hall, 2004. 847 p.

Skoog, Douglas A.; WEST, Donald M.; HOLLER, James F. y CROUCH, Stanley R. Fundamentos de química analítica. México: Thomson, 2005. 1065 p.

Skoog, Douglas A.; HOLLER, James F.; y NIEMAN, Thimothy A. Principios de análisis instrumental. Madrid: McGraw-Hill, 2001. 1028 p.

Harvey, David. Modern analytical chemistry. Boston: McGraw-Hill, 2000. 798 p.

Murray R. Spiegel y David P. Lindstrom, “Estadística Schaum”, 1ra Edición, McGraw-Hill, México 2000



PRÁCTICA 2

Determinación del contenido de cafeína en bebida energizante por el método de curva de calibración usando espectroscopia de absorción UV-vis

Duración Estimada

3 horas

Núcleo Problémico

¿Cómo se realiza la determinación del contenido de cafeína en bebida energizante por espectroscopia UV-VIS?

Introducción

La Espectrofotometría es una de las técnicas experimentales más utilizadas para la detección específica de moléculas. Se caracteriza por su precisión, sensibilidad y su aplicabilidad a moléculas de distinta naturaleza (contaminantes, biomoléculas, etc) y estado de agregación (sólido, líquido, gas). Los fundamentos físico-químicos de la espectrofotometría son relativamente sencillos.

Las moléculas pueden absorber energía luminosa y almacenarla en forma de energía interna. Esto permite que se inicien ciclos vitales de muchos organismos, entre ellos el de la fotosíntesis en plantas y bacterias. La Mecánica Cuántica nos dice que la luz está compuesta de fotones cada uno de los cuáles tiene una energía:

donde c es la velocidad de la luz, es su frecuencia, su longitud de onda y h= 6.6 10-34 J×s es la constante de Planck. Cuando decimos que una sustancia química absorbe luz de longitud de onda l, esto significa que las moléculas de esa sustancia absorben fotones de esa longitud de onda.

En esta práctica estudiaremos la absorción de luz en el ultravioleta cercano (=

325-420 nm) y en el visible (= 420-900 nm). Cuando una molécula absorbe un fotón en este intervalo espectral, se excita pasando un electrón de un orbital del estado fundamental a un orbital excitado de energía superior. De está manera la molécula almacena la energía del fotón:



Como la energía se conserva, la diferencia de energía entre el estado fundamental de la molécula (A) y su estado excitado (A*) debe ser exactamente igual a la energía del fotón. Es decir, una molécula sólo puede absorber fotones cuya energía h×n sea igual a la energía de un estado molecular excitado. Cada molécula tiene una serie de estados excitados discretos (o bandas) que dependen de su estructura electrónica y que la distinguen del resto de moléculas. Como consecuencia, el espectro de absorción, es decir, la luz absorbida en función de la longitud de onda, constituye una verdadera representación de identidad de cada sustancia o molécula.

En una ampliación a esta práctica, se puede analizar una mezcla de dos compuestos midiendo su espectro de ultravioleta/visible y cuantificar la concentración de uno o de ambos. Cuando dos o más sustancias aparecen mezcladas en una misma muestra sus espectros de absorción aparecen superpuestos tal como se representa en la siguiente figura:

Los espectros de absorción se miden mediante un instrumento denominado espectrómetro. Los instrumentos que vamos a usar en esta práctica constan de una fuente de luz “blanca” caracterizada por un espectro de emisión continuo en un intervalo amplio de longitudes de onda (en nuestro caso 325 nm-900 nm) y de un monocromador que actúa como filtro óptico transmitiendo un haz de luz de

longitud de onda fija e intensidad I0. Este haz de luz penetra en la cubeta de análisis donde se encuentra la muestra. Un detector sensible a la luz mide la intensidad del haz a la salida If.



La intensidad del haz de luz se va atenuando a medida que atraviesa la cubeta debido a la absorción de las moléculas de la muestra. El ritmo de absorción depende de la intensidad inicial de luz y de la concentración de moléculas. De esta manera, cuando un haz de luz de intensidad I recorre una distancia dL en una muestra con una concentración de moléculas [B], se produce una atenuación de intensidad dI dada por:

La constante k se denomina coeficiente de absortividad molar. La expresión anterior se puede integrar de la siguiente forma:

lo cual da lugar a la ley de Beer-Lambert1 para la absorción que relaciona la intensidad a la salida e la muestra If, con la intensidad inicial I0, la concentración de moléculas y la distancia recorrida por la luz en la muestra, L:

El espectrofotómetro, en lugar de la intensidad, mide la absorbancia A que se define por:

1 En realidad, la ley de Beer-Lambert se define con una potencia de 10, en lugar de una exponencial. Para corregir este hecho basta recordar que ln x = (ln 10) log x. El coeficiente de absorción molar sería en rigor e=k/ln10.



La utilización de la absorbancia al realizar los espectros tiene la ventaja de ser directamente proporcional a la concentración de moléculas en la muestra.

Objetivo General

Determinar la concentración de cafeína en una muestra problema a partir del espectro de absorción obtenido utilizando la técnica espectroscópica de UV-Visible

Pre Informe

El pre informe debe contener la metodología paso a paso del desarrollo explicado a continuación y los cálculos y ecuaciones necesarios para el desarrollo.

Equipos

• Espectrofotómetro UV-VIS.

Materiales y Reactivos

• Solución acuosa de cafeína de 100 ppm (λmáx=273 nm)

• Agua destilada

• Bebida energizante (Red Bull)

Parte Experimental

La práctica consiste en la determinación de una concentración desconocida de un compuesto ( cafeína) en una bebida de uso comercial. Para ello realizaremos los siguientes experimentos:



Parte 1: Mediremos el espectro de absorción de una disolución que contiene el

analito o compuesto a analizar y localizaremos su máximo de absorción.

Introducir una muestra del compuesto patrón de 100 ppm en la celda de análisis y tomar su espectro de absorción UV-VIS. Seleccionar la banda de máxima

absortividad molar para el analito.

Parte 2. Preparar 5 soluciones diluidas de 25 mL a partir de la solución patrón de 100 ppm. Complete el siguiente cuadro inicialmente.

Tabla 5. Patrones Curva de Calibración

Tomar el espectro UV-Vis de la solución más diluida y determinar la absorbancia a la máxima longitud de onda. Nos situaremos en dicho máximo y mediremos la absorbancia de las 4 disoluciones restantes de concentración conocida de cafeina preparadas por nosotros. Esto nos proporcionará una recta de calibración (ajustar por mínimos cuadrados).

Parte 3. Mediremos la absorbancia de la muestra problema y determinaremos su concentración a partir de la recta de calibrado.

Tomar 5 mL de la bebida energizante (Red Bull) diluirla en 25 mL.

Tomar el espectro UV-Vis de la muestra problema y determinar la absorbancia a la longitud de onda de la cafeína.

A partir de la curva de calibración obtenida en la Parte 2, determinar la concentración real de cafeína en la muestra problema.

Resultados

Cada uno de los espectros UV-VIS tomados, grafíquelos en Excel extrayendo la información del equipo como un archivo de puntos y preséntelos en el informe donde se identifique cada una de los detalles descritos en la parte experimental.



Presente los datos obtenidos de absorbancia vs concentración en una tabla. Elabore una grafica con la curva de calibración elaborada en la práctica y la ecuación obtenida. Discuta los resultados obtenidos.

Bibliografía:

Higson P.J. Química analítica. Editorial Mc Graw Hill.2004

Informe de laboratorio




PRÁCTICA 3

Cuantificación de cafeína y ácido acetilsalicílico en una mezcla usando el método de adición estándar en espectroscopia de absorción UV-Vis.

DURACIÓN ESTIMADA

3 horas

NÚCLEO PROBLEMICO

¿Cómo se realiza el análisis cuantitativo de un compuesto en una mezcla de compuestos usando espectroscopia de absorción UV-Vis?

INTRODUCCIÓN

Si una muestra contiene 2 analitos con espectros de absorción traslapados, se puede determinar alguno de ellos midiendo la absorbancia en su máxima longitud de onda sin que haya interferencia del otro soluto de acuerdo a la ley de Lambert-Beer. Debemos determinar la absortividad molar de ambos analitos en sus longitudes de máxima absorción y determinar la absorción de la mezcla a la máxima longitud de onda de cada analito. Habrá traslape entre los espectros de absorción, sin embargo el único requisito es que las longitudes de máxima absorción no coincidan.

OBJETIVO GENERAL

Utilizar la técnica de análisis simultáneo de multicomponentes para determinar la concentración de 2 analitos en una muestra, utilizando espectroscopia UV-Vis

EQUIPOS

Espectrofotómetro



MATERIALES Y REACTIVOS

Pipetas volumétricas 1, 5, 10 mL

Balones aforados 25, 100 mL

Vasos de precipitado 25– 50 mL

Manta de calentamiento

Vidrio de reloj

Metanol

NaOH 4M

Cafeína

Ácido acetilsalicílico

Agua tridestilada

Muestra de analgésico comercial

PRE INFORME (A REALIZAR ANTES DE CADA PRÁCTICA)

El pre informe debe contener la metodología propuesta en diagrama de operaciones, además de las respectivas tablas con los cálculos y datos necesarios para elaborar la practica.

METODOLOGÍA

1.- Prepara una solución estándar con 38.8 mg de cafeína disuelta en 50 mL de metanol, agrega 10 gotas de NaOH 4M y calienta en un vaso cubierto durante 15 minutos en un baño de vapor, enfría y afora a 200 mL, esta solución es 0.001M

2.- Repite el paso 1 con 180 mg de ácido acetilsalicílico, esta solución es 0.005M

3.- Obtenga el espectro de absorción de ambas soluciones haciendo un barrido entre longitudes de onda de 200-350 nm

4.- Determina el coeficiente de absortividad molar para cada analito para las concentraciones de las dos máximas longitudes de onda y graficar curvas de calibración (ajusta por mínimos cuadrados)

5. Prepara el blanco con 12.5 mL de metanol, 3 gotas de NaOH 4 M aforando a 50 mL con agua tridestilada.



Tabla 6. Preparación, lectura y determinación de concentración de estándares de

cafeína

Tabla 7. Preparación, lectura y determinación de concentración de estándares de

ácido acetilsalicílico

6 - Prepare una solución de analgésico moliendo una tableta de analgésico comercial y disolviendo el polvo en 50 mL de metanol. Calentar en vaso cubierto en un baño a vapor durante 15 minutos, enfriar y aforar a 200 mL.

7.- Tomar 1 ml de esta solución y aforar a 100 mL.

8.- Leer la solución a las máximas longitudes de onda para la cafeína y el ácido

Acetilsalicílico.

9.- Escribir las 2 absorbancias totales y sustituir en ecuaciones simultaneas.



10.-Determina la concentración de cada analito en la muestra, se debe multiplicar la concentración obtenida por el factor de dilución (100) y por 0.2, ya que la muestra se afora a 200 mL.

RESULTADOS

1. Complete las tablas propuestas para cada parte.

2. Enuncia la ley de Lambert-Beer para absorbancias aditivas, escribe la fórmula.

3. Escribe las fórmulas para determinar el coeficiente de absortividad molar y las ecuaciones simultáneas para determinar la concentración de analitos

4. Haga una representación de la estructura molecular y calcule el peso molecular del ácido acetilsalicílico

BIBLIOGRAFÍA:

Higson P.J. Química analítica. Editorial Mc Graw Hill.2004

INFORME DE LABORATORIO




PRÁCTICA 4

Identificación de compuestos por espectroscopia Infraroja (IR)

DURACIÓN ESTIMADA

3 horas

NÚCLEO PROBLEMICO

¿Cómo se identifican los grupos funcionales presentes en una molécula usando espectroscopia Infrarroja?

INTRODUCCIÓN

La espectroscopia infraroja (IR) es una técnica analítica instrumental que permite conocer los principales grupos funcionales de la estructura molecular de un compuesto.

Esta información se obtiene a partir del espectro de absorción de dicho compuesto al haberlo sometido a la acción de la radiación infrarroja en el espectrofotómetro.

La región del espectro IR normal queda comprendida entre 2.5μ a 15μ, medido en unidades de longitud de onda, que corresponde a 4000 cm-1 y 666 cm-1 respectivamente si se expresa en número de onda (que es el inverso de la longitud de onda, cm-1)

OBJETIVOS GENERALES

Conocer los principios fundamentales que rigen la interacción energía-materia (radiación electromagnética-moléculas) en uno de los métodos espectroscópicos más comunes en Química Orgánica: Infrarrojo (IR)



Comprender la información contenida en los espectros correspondientes, a

fin de identificar los grupos funcionales más comunes.

Manejar las tablas de absorción correspondientes con el fin de resolver ejemplos sencillos de elucidación estructural de algunos compuestos orgánicos.

MARCO REFERENCIAL

La espectroscopia es el estudio de la interacción de la radiación con la materia. La radiación electromagnética es una amplia gama de diferentes contenidos energéticos y comprende valores que van desde los rayos cósmicos (1014 cal/mol) hasta la radiofrecuencia (10-6 cal/mol).

Toda onda electromagnética está constituida por una onda eléctrica y una onda magnética. Cada onda electromagnética posee un valor de energía (E), así como de frecuencia (ν), longitud de onda (λ) y un número de ondas (υ); los que se relacionan entre sí a través de las siguientes expresiones:

Por otro lado, la energía total (ET) de un sistema molecular está dada por:

ET = Etrans + Erot + Evibr + Eelectr

Dónde:

Etrans= Energía de translación, que es la energía cinética que posee una molécula debido a su movimiento de translación en el espacio.

Erot= Energía de rotación, que es la energía cinética que posee debido a la rotación alrededor de sus ejes que convergen en su centro de masa.

Evibr= Energía de vibración, que es la energía potencial y la energía cinética que posee debido al movimiento vibracional de sus enlaces.

Eelectr= Energía electrónica, que es la energía potencial y energía cinética de sus electrones.



ESPECTROSCOPIA DE INFRARROJO

Es una técnica analítica instrumental que permite conocer los principales grupos funcionales de la estructura molecular de un compuesto. Esta información se obtiene a partir del espectro de absorción de dicho compuesto al haberlo sometido a la acción de la radiación infrarroja en el espectrofotómetro.

La región del espectro IR normal queda comprendida entre 2.5μ a 15μ, medido en unidades de longitud de onda, que corresponde a 4000 cm-1 y 666 cm-1 respectivamente si se expresa en número de onda (que es el inverso de la longitud de onda, cm-1)

Características de un espectro. El espectro de infrarrojo de un compuesto es una representación gráfica de los valores de onda (μ) o de frecuencia (cm-1) ante los valores de por ciento de transmitancia (%T).

La absorción de radiación IR por un compuesto a una longitud de onda dada, origina un descenso en el %T, lo que se pone de manifiesto en el espectro en forma de un pico o banda de absorción.

Figura 1. Ejemplo del espectro IR de un compuesto. Se pueden observar la gráfica de %T vs frecuencia en cm-1.

VIBRACIÓN MOLECULAR.

Las moléculas poseen movimiento vibracional continuo. Las vibraciones suceden a valores cuantizados de energía. Las frecuencias de vibración de los diferentes enlaces en una molécula dependen de la masa de los átomos involucrados y de la fuerza de enlace entre ellos.



En términos generales las vibraciones pueden ser de dos tipos: estiramiento y flexión.

Las vibraciones de estiramiento son aquellas en las que los átomos de un enlace oscilan alargando y acortando la distancia del mismo sin modificar el eje ni el ángulo de enlace.

Las vibraciones de flexión son aquellas que modifican continuamente el ángulo de enlace.

ABSORCIÓN DE ENERGÍA.

Para que sea posible la absorción de la energía infrarroja por parte de una sustancia, es necesario que la energía que incide sobre ella, sea del mismo valor que la energía de vibración que poseen las moléculas de esa sustancia.

Como en una molécula existen diferentes átomos que forman distintos enlaces, en el espectro de infrarrojo aparecerán bandas de absorción a distintos valores de frecuencia y de longitud de onda. La región situada ente 1400 y 4000 cm-1, es de especial utilidad para la identificación de la mayoría de los grupos funcionales presentes en las moléculas orgánicas.



Las absorciones que aparecen en esta zona, proceden fundamentalmente de las vibraciones de estiramiento.

La zona situada a la derecha de 1400 cm-1, es por lo general, compleja, debido a que en ella aparecen vibraciones de estiramiento como de flexión. Cada compuesto tiene una absorción característica en esta región, esta parte del espectro se denomina como la región de las huellas dactilares.

ABSORCIONES DE GRUPOS FUNCIONALES EN EL IR.

HIDROCARBUROS.

La absorción por estiramiento del enlace carbono-hidrógeno (C-H), está relacionada con la hibridación del átomo de carbono, por lo tanto para cada tipo de carbono se obtendrá una señal diferente así:

C sp3 _______H (-CH, alcanos) - región entre 2800-3000 cm-1.

C sp2 _______H (=CH, alquenos) - región entre 3000-3300 cm-1.

C sp2 _______H (=CH, aromático) – alrededor de 3030 cm-1.

C sp _______H (=CH, alquinos) - alrededor de 3300 cm-1.

ALCANOS.

C-H Vibración de estiramiento a 3000 cm-1.

a) En alcanos la absorción ocurre a la derecha de 3000 cm-1.

b) Si un compuesto tiene hidrógenos vinílicos, aromáticos o acetilénicos, la absorción del -CH es a la izquierda de 3000 cm-1.

CH2 - Los metilenos tienen una absorción característica de 1450-1485 cm-1 (flexión). La banda de 720 cm-1 se presenta cuando hay más de 4 metilenos juntos.



CH3 Los metilos tienen una absorción característica de 1375-1380 cm-1. La banda de 1380 cm-1, característica de metilos se desdobla en dos picos cuando hay isopropilos o ter-butilos, apareciendo también las siguientes señales:

Figura 2. Espectro de IR del n-heptano (Vibraciones de estiramiento C-H)



Figura 3. Vibraciones de tensión más importantes en grupos C-H

Figura 4. Espectro del heptano mostrando las vibraciones de tensión.



Figura 5. Espectro IR del n-Hexano.

Alquenos

=C-H Vibración de estiramiento (stretching), ocurre a 3000-3300 cm-1.

C=C Vibración de estiramiento (stretching), en la región de 1600-1675 cm-1, a menudo son bandas débiles.

=C-H Vibración de flexión (bending) fuera del plano en la región de 1000-650 cm-1

(10 a 15μ)



Figura 6. Espectro de 1-octeno.

Figura 7. Espectro IR del 1-hexeno



Alquinos

≡C-H Vibración de estiramiento ocurre a 3300 cm-1.

C≡C Vibración de estiramiento cerca de 2150 cm-1.

La conjugación desplaza el alargamiento C-C a la derecha.

Figura 8. Espectros IR del 1-hexino (arriba) y del 1-decino (abajo).



Aromáticos

=C-H La absorción por estiramiento es a la izquierda de 3000 cm-1, (3.33μ).

C-H Flexión fuera del plano en la región de 690-900 cm-1 (11.0 - 14.5), este tipo de absorción permite determinar el tipo de sustitución en el anillo. Ver tabla.

C=C Existen absorciones que ocurren en pares a 1600 cm-1 y 1450 cm-1 y son características del anillo aromático.

Figura 9. Correlaciones espectro-estructura de las sustituciones del anillo

bencénico en la región de 2000 a 1667 cm-1.



Tabla 8. Flexión C-H fuera del plano en la región 690-900 cm-1 para aromáticos.

Figura 10. Espectro IR del tolueno

Alcoholes

-OH Vibración de estiramiento. Para un alcohol asociado la característica es una banda intensa y ancha en la región de 3000-3700 cm-1. Un alcohol monomérico da una banda aguda en 3610-3640 cm-1.

C-O Vibración de estiramiento localizada en 1000-1200 cm-1

C-OH Flexión en el plano en 1200-1500 cm-1.

C-OH Flexión fuera del plano en 250-650 cm-1



Figura 11. Espectro IR del alcohol sec-butilico.

Aminas

N-H Bandas de estiramiento en la zona de 3300-3500 cm-1. Las aminas primarias tienen dos bandas. Las aminas secundarias tienen una banda, a menudo débil. Las aminas terciarias no tienen banda de estiramiento N-H. C-N La banda de alargamiento es débil y se observa en la zona de 1000-1350 cm-1. N-H Banda de flexión (tijera) se observa en la zona de 1640-1560 cm-1, banda ancha. N-H Banda de flexión fuera del plano, que se observa en la zona de 650-900 cm-1.

Figura 12. Espectro IR de la sec-butilamina.

Aldehídos y cetonas

Los aldehídos, las cetonas, los ácidos carboxílicos y sus derivados, dan la banda del carbonilo, este grupo es uno de los que absorben con una alta intensidad en la región del infrarrojo en la zona de 1850-1650 cm-1.



Vibraciones de estiramiento de compuestos carbonílicos.

Posición de la absorción

Tipo de compuesto cm-1 μm

Aldehído, RCHO 1720-1740 5.75-5.80

Cetona, RCOR 1705-1750 5.70-5.87

Ácido Carboxílico, RCOOH 1700-1725 5.80-5.88

Éster, RCOOR 1735-1750 5.71-5.76

R= grupo saturado y alifático

En aldehidos:

C=O Banda de estiramiento en 1725 cm-1. La conjugación con dobles enlaces mueve la absorción a la derecha.

C-H Banda de estiramiento del hidrógeno aldehídico en 2750 cm-1y 2850 cm-1

Figura 13. Espectro IR del n-butiraldehido.

En cetonas:

C=O Banda de alargamiento aproximadamente a 1715 cm-1. La conjugación mueve la absorción a la derecha.



Figura 14. Espectro IR de la 2-butanona.

Ácidos carboxílicos y ésteres

En los ácidos: O-H Banda de estiramiento, generalmente muy ancha (debido a la asociación por puente de hidrógeno) en la zona de 3000- 2500 cm-1, a menudo interfiere con la absorción del C-H.

C=O Banda de estiramiento, ancha, en la zona de 1730-1700 cm-1.

C-O Banda de estiramiento, fuerte, en la zona de 1320-1210 cm-1.

Figura 15. Espectro IR del ácido propiónico.

En los ésteres:

C=O Banda de estiramiento cercana a 1735 cm-1.

C-O Banda de estiramiento, aparecen 2 bandas o más, una más fuerte que las otras, en la zona de 1300-1000 cm-1.



Figura 16. Espectro IR del acetato de metilo.

MATERIALES,

• Espectros Infrarojo de diferentes moléculas


El pre-informe debe contener la metodología propuesta en diagrama de operaciones, además de una síntesis que presente los aspectos teóricos que fundamenten la práctica que complemente a la ya discutida en este documento.

METODOLOGÍA

• En la serie de espectros de infrarrojo que se presentan al final de la práctica señale las bandas de absorción características e identifique los grupos funcionales presentes.

• Señale además el tipo de vibración que corresponde a cada banda.

• Haga una predicción de la molécula según los grupos funcionales presentes en el espectro IR.



ANALISIS DE RESULTADOS

Resuelva las siguientes preguntas con base en los análisis realizados en cada uno de los espectros

a) ¿Cuáles son las principales bandas de absorción para un alcano en un espectro de IR?

b) ¿Cómo distingue un grupo isopropilo de un grupo ter-butilo en un espectro de IR?

c) Cuando un alcano tiene más de 4 metilenos en una cadena lineal, ¿cómo se le distingue en un espectro de IR?

d) ¿Cómo distingue un alcano, un alqueno y un alquino en un espectro de IR?

e) ¿Cómo distingue un aldehído de una cetona en un espectro de IR?

f) ¿Qué vibraciones características presenta un ácido carboxílico para identificarlo en un espectro de IR?

g) ¿Qué bandas le dan la pauta para diferenciar un éster de una cetona? ¿A qué vibración corresponde cada una de ellas?

h) ¿Cómo distingue una amina primaria de una secundaria en un espectro de IR?

INFORME DE LABORATORIO


BIBLIOGRAFÍA.

Bruice, P. Y., Química Orgánica, Pearson Educación, México, 2008.

McMurry, J., Química Orgánica, Cengage Learning, México, 2008.

Morrison R. T., Boyd, R. N., Química Orgánica, Pearson Educación, México, 1998.

Silverstein, R. M., Bassler, G. C., Morril, T. C., Spectrometric Identification of Organic Compounds, John Wiley, New Jersey, 2005.

Nakanishi, K., Solomon, P. H., Infrared Absorption Spectroscopy, Holden-Day, San Francisco, 1977.

Conley, R. T., Espectroscopia Infrarroja, Alhambra, Madrid, 1979.



ESPECTROS POR ANALIZAR



PRACTICA 5

Determinación de sodio, potasio y magnesio en bebida isotónica por espectroscopia de absorción atómica (AAS)

DURACIÓN ESTIMADA

3 horas

NÚCLEO PROBLEMICO

¿Cómo se realiza el análisis de minerales en productos comerciales por espectroscopia de absorción atómica (AAS)?

INTRODUCCIÓN

La absorción atómica es una técnica en la cual se utiliza una llama para atomizar la disolución de la muestra de modo que los elementos a analizar se encuentran en forma de vapor de átomos. Existe una fuente independiente de luz monocromática, específica para cada elemento a analizar y que se hace pasar a través del vapor de átomos, midiéndose posteriormente la radiación absorbida.

Los espectros atómicos están constituidos por picos estrechos (teóricamente líneas) y bien definidos, originados por transiciones entre distintos niveles de energía electrónica.

Para la obtención del vapor atómico pueden utilizarse distintos sistemas de atomización, tales como una llama, energía eléctrica o un plasma, dando lugar a distintas técnicas.

El espectro de absorción atómica de muchos elementos se origina por transiciones electrónicas desde el estado fundamental a estados excitados.

OBJETIVO GENERAL

• Conocer y aplicar los principios teórico-prácticos de la espectroscopia de absorción atómica (AAS) en el análisis de minerales en productos comerciales



MARCO REFERENCIAL

La espectroscopia de absorción atómica (AAS), tiene como fundamento la absorción de radiación de una longitud de onda determinada. Esta radiación es absorbida selectivamente por átomos que tengan niveles energéticos cuya diferencia en energía corresponda en valor a la energía de los fotones incidentes.

Figura 17. Transiciones de absorción electrónica para el sodio y el potasio.

La absorción de radiación por átomos libres involucra una transición de estos átomos desde el altamente poblado estado basal hasta un estado electrónico excitado. Por ejemplo, los átomos de sodio (ver Figura 2 ) en estado gaseoso son capaces de absorber radiaciones de longitudes de onda correspondientes a las transiciones desde el estado 3s a estados más elevados. Así, se observan experimentalmente picos de absorción muy nítidos a 589,0; 589,6 y 330,2 nm. La absorción correspondiente a transiciones desde el nivel 3p no se detectan porque el número de átomos de sodio en el estado 3p es generalmente muy pequeño a la temperatura de la llama.

La cantidad de fotones absorbidos, está determinada por la ley de Beer, que relaciona ésta pérdida de poder radiante, con la concentración dela especie absorbente y con el espesor de la celda o recipiente que contiene los átomos absorbentes (ver Ecuación 1.20 del módulo). La cantidad de radiación absorbida



aumenta al incrementar el número de átomos del elemento presentes en el “camino óptico”, esto permite utilizar a la absorción atómica con fines cuantitativos. Este método puede detectar cantidades tan bajas como10-14 gramos del analíto.

Los espectros de absorción atómica están constituidos por picos estrechos y bien definidos que se originan por transiciones entre los diferentes niveles de energía electrónica, estas líneas de resonancia tienen origen en el estado basal y un destino en diferentes estados excitados.

Sin embargo la muestra no es irradiada directamente por luz UV-VIS para su absorción, antes de ello, la muestra se tiene que convertir en diferentes especies atómicas. La especie atómica se logra por atomización de la muestra, siendo los distintos procedimientos utilizados para llegar al estado fundamental del átomo lo que diferencia las técnicas y accesorios utilizados.

La técnica de atomización más usada es la de absorción atómica con llama, que nebuliza la muestra y luego la disemina en forma de aerosol dentro de una llama de aire acetileno u óxido nitroso-acetileno. Las muestras se vaporizan a 2000-6000 K, por tal motivo la muestra es aspirada hasta la llama que tiene una temperatura de 2000-3000 K.

Figura 18. Espectro de absorción atómica para la cuantificación de cadmio en agua de mar empleando el método de adición de estándar interno.



Figura 19. Espectro de absorción atómica para una matriz que contenía los

metales Fe, Ni y Cr.


El pre informe debe contener la metodología propuesta en el procedimiento usando diagramas de flujo. Además, realizar un resumen que presente los aspectos teóricos que fundamenten la práctica.

EQUIPOS

• Equipo de absorción atómica, Perkin Elmer 370.



MATERIALES Y REACTIVOS

• Soluciones patrón de sodio (10 p.p.m), Potasio (5 p.p.m) y Magnesio (10 p.p.m)

• Agua destilada

• Balones aforados de 50, 100 ml

• Pipetas aforadas de 5,10 y 20 ml

• Bureta de 25 ml

• Bebida Gatorade

METODOLOGÍA

1. Prepara 5 soluciones de cada metal entre concentraciones de 0.1 y 1 ppm a partir de la solución patrón inicial.

2. Tome la solución de 1 ppm de cada metal y haga un análisis por espectroscopia de absorción atómica.

3. Determine la longitud de onda de absorción de cada metal.

4. Lea las absorbancias para solución del patrón preparada.

5. Complete la siguiente tabla



6. Realice las respectivas curvas de calibración y calcule las ecuaciones de las rectas.

7. Realice la lectura de la muestra problema y determine la absorbancia.

8. Calcule la concentración de sodio, potasio y magnesio en la bebida comercial.

RESULTADOS

1. Registre los datos, observaciones y cálculos necesarios, identifique dificultades.

2. En una pagina de Excel introduzca los datos obtenidos y realice las curvas de calibración

3. Establezca las principales características de los procesos que se aplicaron en el laboratorio.

4. Analice los resultados y presente los valores obtenidos para sodio, potasio y magnesio en la muestra problema.

INFORME DE LABORATORIO (A REALIZAR LUEGO DE CADA PRÁCTICA)




PRÁCTICA 6

Aplicación de la espectrometría de masas - MS para la identificación de compuestos

DURACIÓN ESTIMADA

3 horas

NÚCLEO PROBLEMICO

¿Cómo se realiza la interpretación de un espectro de masas para la identificación de un compuesto?

INTRODUCCIÓN

La espectrometría de masas, es una técnica de análisis cualitativo, de amplia utilización para la determinación de estructuras orgánicas, por si sola o en combinación con otras técnicas de espectrofotometría.

La espectrometría de masas está basada en la obtención de iones a partir de moléculas orgánicas en fase gaseosa; una vez obtenidos estos iones, se separan de acuerdo con su masa y su carga, y finalmente se detectan por medio de un dispositivo adecuado.

Un espectro de masas será, en consecuencia, una información bidimensional que representa un parámetro relacionado con la abundancia de los diferentes tipos de iones en función de la relación masa/carga de cada uno de ellos.

OBJETIVO GENERAL

• Conocer y aplicar los principios teórico-prácticos de la espectrometría de masas - MS para la identificación de compuestos



MARCO REFERENCIAL

La espectrometría de masas es una técnica muy poderosa tanto si se utiliza para la identificación de compuestos desconocidos como para cuantificar compuestos conocidos.

Cuando se trabaja con sistemas acoplados de cromatografía de gases / espectrometría de masas, la identificación se basa, generalmente, en utilizar el espectro de masas como una “huella química”, comparando los espectros de masas obtenidos con los espectros de compuestos patrón.

Los ordenadores que controlan a los espectrómetros de masas actuales, están dotados de sistemas muy eficaces de búsqueda en bibliotecas informatizadas. Habitualmente, se encuentran dos tipos de bibliotecas: unas de tipo general, muy extensas (más de 150.000 espectros) y otras más pequeñas pero específicas (cientos a miles de espectros) de utilización en un campo de trabajo concreto. Aunque las bibliotecas de espectros de masas, son asequibles comercialmente, casi siempre es posible para el usuario generar una biblioteca o hacer adiciones sobre una existente.

El procedimiento de identificación basado en la comparación del espectro obtenido con los contenidos en una biblioteca, no está exento de problemas; la identificación mediante búsqueda se basa en suponer que las condiciones experimentales se pueden controlar lo suficiente como para producir espectros reproducibles y en que el patrón de fragmentación de un compuesto será único sean cuales fueren las condiciones que se utilicen (la mayoría de las bibliotecas existentes están basadas en espectros obtenidos mediante ionización por impacto electrónico y utilizando analizadores de tipo cuadrupolo); aun así, utilizando diferentes instrumentos y condiciones de trabajo, es posible en un número muy elevado de casos identificar analitos a partir de los espectros de una biblioteca.

La fragmentometría de masas es muy aplicada para el análisis cromatográfico de mezclas en las que se sospecha la presencia de determinados compuestos, o grupos de compuestos de características comunes, que puedan originar un pico de fragmentación común muy intenso. Como en el caso de otros detectores cromatográficos, las áreas bajo los picos son directamente proporcionales a la concentración de cada componente y, por tanto, pueden utilizarse como parámetro analítico de cuantificación por medio de una calibración adecuada.

INTERPRETACION DEL ESPECTRO

Los espectros de masas proporcionan mucha información sobre la estructura de los compuestos analizados. Además de las posibilidades de identificación ya mencionadas por comparación de los espectros obtenidos, con los contenidos en una base de datos, el espectro de masas es susceptible de ser interpretado,



siendo en muchas ocasiones esta última la única vía posible para lograr una identificación estructural de algunas moléculas.

Como ya se ha mencionado en el módulo, la información que ofrece el espectro de masas proviene de las reacciones químicas que experimentan las moléculas de la muestra en estado excitado; en consecuencia, la interpretación de un espectro de masas requerirá de un conocimiento de las reacciones que pueden originarse en el espectrómetro, asi como de los iones que estas reacciones pueden generar.

Para la interpretación de los espectros en esta práctica revise los contenidos de la lección 30 y 34 del Módulo de Espectroscopia.


El pre informe debe contener los principales rutas de fragmentación de los grupos funcionales y los pasos a seguir para la interpretación de un espectro de masas.

MATERIALES

• 10 espectros de masas de diferentes moléculas

METODOLOGÍA

Para la interpretación de un espectro de masas e identificación del respectivo compuesto se pueden seguir los siguientes pasos:

1. Identificar el ión molecular (límite de la molécula), las perdidas lógicas y si se aplica la regla del nitrógeno.

2. Observar iones M+1 y M+2 para:

Determinar presencia de Cl, Br, S, Si

Determinar si es posible, no. de carbonos

3. Buscar series de iones a masas bajas

4. Identificar si hay Anillos + Dobles enlaces



RESULTADOS

Presente cada uno de los espectros de masas y los resultados del respectivo análisis realizado a cada uno siguiendo las orientaciones de la metodología.


Realizar un informe de resultados con la estructura que debe contener un informe de laboratorio.



COLECCIÓN DE ESPECTROS A ANALIZAR



PRÁCTICA 7

Aplicación de la espectroscopia de Resonancia Magnética Nuclear – RMN para la identificación de compuestos

DURACIÓN ESTIMADA

6 horas

NÚCLEO PROBLEMICO

¿Cómo se realiza la interpretación de un espectro de Resonancia Magnética Nuclear-RMN de 1H y 13C para la identificación de un compuesto?

INTRODUCCIÓN

La Resonancia Magnética Nuclear, puede ser considerada como una herramienta que permite obtener una gran cantidad de información sobre la estructura molecular.

Fue desarrollada en la década de los cuarenta (1940-1950), en forma simultánea, por dos grupos de investigadores en física teórica: H. C. Torrey y R. V. Pound, dirigidos por E. M. Pursell en la universidad de Harvard y W. W. Hansen junto con F.Bloch en la Universidad de Stanford.

Esta técnica espectroscópica puede utilizarse sólo para estudiar núcleos atómicos con un número impar de protones o neutrones (o de ambos). Esta situación se da en los átomos de 1H, 13C, 19F y 31P. Este tipo de núcleos son magnéticamente activos, es decir poseen número de espín diferente de cero, igual que los electrones. Ya que los núcleos poseen carga positiva y poseen un movimiento de rotación sobre un eje, hace que se comporten como si fueran pequeños imanes.

OBJETIVO GENERAL

Conocer y aplicar los principios teórico-prácticos de la Resonancia Magnética Nuclear-RMN de 1H y 13C para la identificación de compuestos



MARCO REFERENCIAL

La Resonancia Magnética Nuclear, puede ser considerada como una herramienta que permite obtener una gran cantidad de información sobre la estructura molecular.

Fue desarrollada en la década de los cuarenta (1940-1950), en forma simultánea, por dos grupos de investigadores en física teórica: H. C. Torrey y R. V. Pound, dirigidos por E. M. Pursell en la universidad de Harvard y W. W. Hansen junto con F.Bloch en la Universidad de Stanford.

Teoría básica de la resonancia magnética nuclear de protones (1H-NMR)

Los núcleos de numerosos átomos presentan el fenómeno de RESONANCIA MAGNETICA cuando son colocados en un campo magnético y a su vez irradiados con energía proveniente de un oscilador de radio frecuencia. Sin embargo, solo aquellos núcleos atómicos que poseen la propiedad física llamada espín (I) diferente a cero, mostrarán absorción y emisión de energía en esas condiciones.

Los núcleos que tengan valores de masa (M) y/o número atómico (Z) impar presentarán valores de espín (I) útiles en espectroscopia de resonancia magnética nuclear. Así, por ejemplo, un átomo que posea:

Masa atómica (M)

Número atómico

(Z) Espín

Impar Par o impar

1/2, 3/2, 5/2

Par Impar 1, 2, 3,..

Sin embargo, si (M) y (Z) son ambos pares, el valor del número de espín (I) será cero, y ellos no presentarán espectro de resonancia magnética. Como ejemplo de núcleos atómicos del primer grupo están los isótopos:

Isótopo Espín

1H 1/2

13C 1/2

17F 1/2

31P 1/2

etc. etc.



En el segundo grupo están los isótopos del nitrógeno (M = 14), y flúor (M = 18), etc. Entre aquellos con número de espín = 0, están el isótopo del oxígeno (M = 16) y el carbono (M = 12), etc. como los más importantes para la química orgánica.

Descripción general de un equipo de RMN

Los primeros equipos de RMN trabajaban de forma análoga a los equipos dispersivos de UV e IR, alcanzando la condición de resonancia de los diferentes núcleos de una muestra por un variación continúa de la frecuencia de B1 o de la intensidad del campo magnético estático B0. Estos equipos son conocidos como RMN a onda continua (RMN-OC). Describiremos en forma sintética los componentes principales de dichos equipos.

Magneto o imán

Generador del campo magnético estático B0 que debe ser intenso, homogéneo y estable (estas propiedades se discuten más adelante).

Emisor de radiofrecuencias

Para crear el campo oscilante B1 a las frecuencias de resonancia (decenas a

cientos de MHz) con intensidad moderada (B110-7 T) para evitar saturación de las señales. Generalmente se logra la excitación de la muestra construyendo un pequeño solenoide con eje coaxial al tubo que la contiene.

Detector de radiofrecuencias

Para medir la absorción de radiación por parte de la muestra al alcanzarse la condición de resonancia. En los equipos de RMN-OC se han utilizado dos tipos de detectores. Se detecta la resonancia por desbalance de un puente de radiofrecuencias conectado a la bobina única emisora-detectora. El segundo método utiliza 2 bobinas y es llamado método de inducción. En él se hace uso de la inducción magnética producida en un eje perpendicular a B0 cuando el sistema entra en resonancia. Con este fin se sitúan en el entrehierro del imán dos bobinas (transmisora y receptora) con ejes en ángulo recto en el plano perpendicular a B0. La señal detectada en el receptor corresponde a la absorción de energía por los núcleos en resonancia y debe ser bien separada de la señal proveniente del transmisor, minimizando todo acoplamiento entre ambas bobinas.

Sistema de barrido

Para detectar sucesivamente todos los núcleos de interés en la muestra modificando las relaciones frecuencia/campo en un rango que corresponda al de desplazamientos químicos presentes Esto puede lograrse por variación de la frecuencia de B1 (barrido de frecuencias) o de la intensidad de B0 (barrido de campo). La velocidad de barrido generalmente es del orden de 1 Hz/s. Velocidades menores tienden a producir saturación con deformación y ensanchamiento de las señales. Barridos más rápidos pueden deformar las



señales y hacer aparecer fenómenos transientes indeseables como el denominado ringing. Para el registro de un espectro con un equipo RMN-OC se requieren al menos varios minutos.

Sistema portador de la muestra

Consiste en un tubo de vidrio de paredes finas, generalmente de 5mm de diámetro interior, con el material de interés disuelto en un disolvente apropiado, preferentemente aprótico o deuterado. En RMN las cantidades de sustancia requeridas para obtener un espectro de resonancia protónica son del orden de unos pocos miligramos Es frecuente someter la muestra a rotación (velocidades típicas de rotación 25Hz) para minimizar la posible inhomogeneidad del campo B0 en el plano perpendicular al eje de rotación.

Figura 120. Diagrama de un aparato de resonancia magnética de frecuencia fija

V(0) e imán de intensidad de flujo magnético variable H0.

Tablas de desplazamiento químico.

A continuación se entrega una TABLA con una recopilación de valores de DESPLAZAMIENTO QUÍMICO en ppm. Estos son valores promedios de señales encontradas en cientos de espectros en los cuales los protones en diferentes moléculas tienen ambientes estereoquímicos y magnéticos semejantes.

Estas tablas de desplazamiento químico (δ), están referidas al estándar normal, TMS, y en la escala de ppm, a menos que se indique otro ambiente y/o otra escala. Se supone que las posiciones normales de los grupos metilos, metilenos y metinos son: 0.90, 1.25, y 1.50 ppm respectivamente y que cualquier alteración de estos valores será una consecuencia de las interacciones de otros átomos o grupos de átomos presentes en la molécula.



Siendo H el protón del grupo metilo, -CH3 , metileno –CH2 -, o metino =CH-, entonces las siguientes estructuras muestran para esos protones las siguientes absorciones aproximadas en ppm: (Tabla 1)

Tabla 1. Desplazamientos químicos.

Estructura U= H – U= CH3 – U= R-CH2 - U= R2 CH

U-CH2R 0.90 0.82 1.20 1.48

U-C=C 5.0-6.0 1.60 2.02 2.80

U-Ph 7.30 2.10 2.60 2.82

U-F 4.22 4.22 4.80

U-Cl 3.01 3.42 4.02

U-Br 2.65 3.40 4.10

U-I 2.18 3.14 4.22

U-OR 5.0-0.5 4.20 4.40 4.60

U-OPh 6.0-4.0 3.82 4.03 4.56

U-OCOR 10.0-12.0 3.61 4.10 4.96

U-OCOPh 10.0-12.0 3.82 4.20 5.02

U-CHO 2.20 2.40 2.50

U-COR 11.0-9.0 2.10 2.32 2.62

U-COOH 2.10 2.30 2.52

U-COOR 2.00 2.22 2.50

U-CN 2.18 2.44 2.96

U-NO2 4.06 4.14 4.40

U-OPh 8.50-9.50 3.82 4.02 4.56

U-NH2 2.45 2.87 3.01

U-NR2 2.21 2.40 3.82

U-CO- 2.40



Multiplicidad en resonancia magnética nuclear de protones.

Los primeros aparatos de resonancia magnética nuclear, con sus imanes desplegando campos magnéticos no muy homogéneos, y por consecuencia de baja resolución, en los cuales, las absorciones de los diferentes protones de un compuesto orgánico, aparecían en el espectro como bandas muy anchas y sin mayores detalles.

Figura 2. Espectro del etanol hecho con muy baja resolución que muestra las absorciones de los diferentes protones como bandas anchas y redondeadas.

Posteriormente, al mejorar la tecnología y al aumentar la homogeneidad del campo magnético, aparecen las bandas de absorción con "ESTRUCTURA FINA". La banda ancha y roma se transforma en un complejo de bandas muy agudas y separadas entre sí, por algunos cps.

Estos conjuntos de bandas agudas son conocidas como "MULTIPLICIDAD" de una absorción y su origen está en los momentos magnéticos de los protones vecinos no equivalentes que conforman el entorno del protón que da la señal en el espectro. Su efecto se cree es trasmitido a través de los electrones de los enlaces directamente relacionados.

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 00.00

0.10

0.20

CH3CH2OH

ppm

OH

CH2

CH3

TMS



Figura 3. Espectro RMN del etanol.

Espectro del etanol con alta resolución donde se puede observar la multiplicidad de las bandas de absorción de los protones del metilo en 1,2 ppm y la de los protones del metileno en 3,7 ppm.

Si se varía la intensidad del campo magnético H0, las pequeñas separaciones de estas bandas múltiples en la estructura fina, permanece inalterada.

Esta magnitud característica en la separación de las líneas de los multipletes y que aparece en la mayoría de los espectros es conocida como CONSTANTE DE ACOPLAMIENTO "[J]" y se la mide en ciclos por segundo, (cps).

Un protón H(a) aislado o un conjunto equivalente de ellos aislados en una molécula, sin protones vecinos, dará una señal única. No hay acoplamiento de este protón con ningún vecino no equivalente y por lo tanto, el valor de "J" no

existe. Ver por ejemplo el espectro del tetrametoximetano.

Figura 4. Espectro en el que se puede observar una sola banda que acusa la

ausencia de protones vecinos.

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 00.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

1.03

1.20

1.37

3.35

3.523.68

3.85

5.28

TMS

CH3CH2OH

OH

CH2

CH3

ppm

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 00

1

2

3

4

O

O

O

CH3

O

CH3

CH3

CH3

ppm

CH3

TMS



Cómo aparecen las multiplicidades.

Al obtener el espectro HRMN de una molécula que posee un protón H(a) y un solo protón vecino H(b), en un campo magnético de intensidad H0, aparece una estructura fina en el espectro.

Las diferentes orientaciones del momento magnético en el protón "b" se traducen en perturbaciones del valor del campo magnético, trasmitiéndose a través de los electrones enlazantes hasta llegar al protón H(a). (Esto mismo es válido en el otro sentido, es decir, el protón H(a) también influirá sobre el protón H(b)).

Los diagramas de árbol.

Los diagramas de árbol representan a grandes rasgos la descomposición de la señal única del protón H(a) por la influencia de los protones situados en carbonos vecinos a él. Esta descomposición depende directamente, como se verá posteriormente, del número de protones sobre los carbonos vecinos. La absorción de un protón, es perturbada por la presencia de cualquier protón sobre un carbono vecino, originando una bifurcación de la señal por interacción magnética entre ellos. Así el diagrama de árbol (Figura 184) muestra gráficamente lo que sucede con relación a la apariencia de esta señal en el espectro de la Figura 185.

Figura 5. La combinación de espines del protón vecino H(b) indica que el espectro mostrará un duplete con una separación J(ab) entre ellas.

Cuando el protón H(a) tiene un protón vecino, "H(b)", el campo magnético percibido por H(a) se alterará, dependiendo de todas las posibles combinaciones de espín que pueda presentar aquel protón H(b).

Combinaciones de espín Número de combinaciones

(+) 1

(-) 1

J

bH

aH

duplete originado

en la interacción

de un solo protón

Ha con un Hb



Debe recordarse que como la separación entre las bandas de absorción de un multiplete solo depende de la probabilidad de que los protones vecinos al considerado, tengan sus espines a favor o en contra del campo magnético H0, ella no está relacionada a la intensidad de flujo magnético y por lo tanto es una constante, llamada CONSTANTE DE ACOPLAMIENTO, "J", independiente de las características del instrumento.

Así, cualquiera sea la frecuencia de la radiación v(o) del instrumento, la separación entre las bandas de absorción de esta estructura fina será constante.

Figura 6. A manera de ejemplo, este es el espectro de una sustancia que posee un protón H(a) con un solo tipo de protón vecino H(b).

En el espectro de la Figura 6, puede verse claramente que la señal de ambos protones que no son equivalentes están mutuamente perturbadas por la presencia de los protones en carbonos vecinos. Debe recordarse también que si estos protones fuesen equivalentes solo aparecería una sola banda de absorción, como el caso del espectro del 1,1,2,2-tetracloroetano (Figura 7).

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 00.00

0.10

4.92

5.085.72

5.88

TMS

ppm

Cl C C

Cl I

I

H Ha b

CHa

CHb



Figura 7. En este espectro se puede observar que ambos protones H(a) y H(b)

son equivalentes y absorben en la misma posición del espectro.

El caso del protón H(a) con dos protones vecinos:

Si los símbolos: "(+)" y "(-)", representan las distintas orientaciones de espín, entonces, las posibles combinaciones que se pueden obtener entre ellas son:


1.- (+)(+) 1

2.- (+)(-) y (- )(+) 2

3.- (- )(- ) 1

El número de combinaciones tiene una íntima relación con la altura o intensidad de las bandas de absorción.

Así, este protón (a), que tiene dos protones equivalentes vecinos, dará una señal triplete, como se observa en el espectro de la Figura 8, con la absorción central del multiplete mostrando una altura o intensidad aproximadamente igual al doble de las laterales.

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 00.00

0.10

5.91

ppm

Cl C C

H H

Cl Cl

Cl

CHa b



Figura 8. Esquema que muestra un triplete originado por la interacción entre el

protón (a) y dos protones vecinos equivalentes H(b).

Figura 9. Diagrama del árbol. El caso del protón (a) con dos protones vecinos H(b)

equivalentes.

El caso del protón H(a) con tres protones vecinos, H(b)

En este caso, la presencia de tres protones alrededor del protón que está emitiendo la señal, hace que su señal sea dividida según todas las posibles combinaciones de espín.

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 00.00

0.10

0.20

4.02

4.18

5.66

5.83

6.00

Cl C C

Cl

H H

H

I

a b

b

CH

CH

a

b

TMS

ppm

Ha

Hb

Hb

J

J

J triplete como

resultado de la

interacción entre

un protón Ha y

dos protones Hb




1.- (+)(+)(+) 1 2.- (+)(+)(-)

(+)(-)(+) y 3 (-)(+)(+)

3.- (-)(-)(+)

(-)(+)(-) y 3 (+)(-)(-)

4.- (-)(-)(-) 1

Si pensamos que toda posible combinación de espín tiene la misma probabilidad, entonces el hecho de que existan en una determinada circunstancia tres combinaciones de igual valor de espín, significará que ese tipo de transición será más probable que otras y por lo tanto deberá presentar una absorción más intensa y de acuerdo a lo esperado.

Su correspondiente diagrama de árbol es:

Figura 10. Diagrama del árbol. El caso del protón (a) con tres protones vecinos H(b) equivalentes.

J

J

J

protones equivalentes Hb

entre un protón Ha y tres

resultado de la interacción

un cuadrruplete como

bH

J

J

J

bH

bH

aH



Figura 11. Estructura del espectro del protón H(a) vecino al metílo. (tres protones

H(b) equivalentes).

Aquí el número de combinaciones está asociado a la intensidad de las señales. (La relación; número de protones equivalentes y extensión del área para cada señal, será tratada posteriormente con el concepto de integración.). Habrá por tanto, un cuadruplete en la absorción de H(a) con intensidad teórica 1:3:3:1.

Es importante, hacer notar que las intensidades de las absorciones en los multipletes siguen aproximada y teóricamente los números del triángulo de Pascal, sin embargo, esto es solo una aproximación a la realidad. La altura de cada absorción en un multiplete real no siempre corresponde a los valores teóricos esperados. Generalmente, las intensidades más altas de los multipletes se inclinan hacia el lado de la mayor absorción en un espectro.

El triángulo de pascal.

El triángulo de Pascal es una ayuda que permite conocer, en primera aproximación las intensidades esperadas de las diferentes absorciones en un espectro de resonancia magnética nuclear.

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 00.00

0.10

0.20

0.30

1.972.13

5.65

5.825.98

6.15

TMS

Cl C C

Cl

H H

H

H

a b

b

b

CHa

CHb

ppm



Figura 12. El triángulo de Pascal es útil para asignar teóricamente la intensidad en

las absorciones de los multipletes en espectros simples.

Se ha encontrado que hay ciertas estructuras moleculares que presentan formas espectrales características. Por ejemplo, el grupo etilo, siempre aparecerá como un cuarteto A BAJO CAMPO y un triplete A MAS ALTO CAMPO con la misma separación entre las señales de los multipletes. (Con una misma constante de acoplamiento "J").

Figura 13. Espectro RMN 1H del bromuro de etilo.

El grupo isopropilo aparecerá generalmente como un quintuplete típico (5 bandas) y no el esperado septuplete (7 bandas) a bajo campo y si un duplete intenso a alrededor de 2 ppm. Esta anomalía en la multiplicidad se debe a que las intensidades de los multipletes extremos son demasiado pequeñas con relación a la intensidad de las otras absorciones. Veamos el triángulo de Pascal en el que para seis protones vecinos solo hay 5 absorciones. La proporción es de 1:20 entre la menor y la mayor de las intensidades del multiplete (Ver Figura 14).

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 00.00

0.10

0.20

0.30

1.39

1.56

1.73

3.17

3.343.50

3.67

TMS

CH3CH2Br CH2CH3

ppm



Figura 14. Espectro de un grupo isopropilo, con una zona ampliada que permite

ver el septuplete completo.

La intensidad de las absorciones de los multipletes también puede ser calculada con el desarrollo del binomio:

(a + b) n

Aquí, los coeficientes del desarrollo binomial corresponden a las intensidades de los multipletes donde "n" es el número de protones vecinos equivalentes.

Por ejemplo si n = 2, los coeficientes del desarrollo del binomio son: 1, 2, 1.

Es posible también, predecir el número de señales en una absorción con estructura fina ó multiplete mediante una fórmula sencilla que es:

(n + 1)

Aquí, "n" es también el número de protones vecinos al que emite la señal.

Esta fórmula simple puede ser aplicada solo a espectros de primer orden, es decir, donde se cumple que la separación entre los multipletes expresada en Hz es mucho menor que los desplazamientos químicos expresados también en Hz.

Dada la frecuencia de absorción v(a) que indica la posición de la absorción de algún protón (a), entonces si v(b) es la frecuencia de absorción de un protón vecino (b), la relación entre v(i) y J(ab) indicará el tipo de espectro. v(a) es medida en hertz y J(a,b) en cps.

CONDICION TIPO DE ESPECTRO

Si: ν(a)/J(ab) > 5 Primer orden

Si: ν(a)/J(ab) < 5 Complejo

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 00.0

0.5

1.0

1.651.75

3.974.07

4.174.27

4.374.57

ppm

5.5 5.0 4.5 4.0 3.50.00

0.10

3.97

4.07

4.17

4.27

4.37

4.47

4.57

(CH3)2CHBrCH3

TMS



En los espectros de primer orden, las separaciones entre las absorciones de las estructuras finas es relativamente constante, sin embargo, cuando hay de por medio electronegatividades ya sea de átomos o grupos de átomos muy diferentes que afecten a los protones, y por ende a la señal emitida, entonces, la regla del (n + 1) debe ser reemplazada por:

(n + 1) * (n' + 1)

Donde n y n' representan respectivamente al número de protones no equivalentes que estén alrededor del protón que está emitiendo la señal.

Integración de las señales

La integración de un espectro de RESONANCIA MAGNÉTICA NUCLEAR de protones, es un concepto práctico de mucha utilidad, con el cual fue posible por ejemplo, reconocer las proporciones relativas entre protones no equivalentes en una especie molecular. La INTEGRACION mide el área bajo las diferentes absorciones del trazo en un espectro y si se comparan estas áreas entre sí, se encontrará que en cada absorción, estas áreas son proporcionales al número de protones equivalentes que representa cada señal en el espectro de la molécula.

En los primeros equipos, dada la poca homogeneidad del campo magnético, las absorciones de los distintos protones aparecían como curvas redondeadas en las cuales era fácil medir su área. Pronto se descubrió la relación; "área: número de protones". Así en una molécula, como por ejemplo: bromuro de etilo, en la cual hay dos tipos de protones, la relación de áreas será, de izquierda a derecha como 2:3. La integración en los equipos de resonancia, será: 2 a 3, donde a representa cualquier valor. Aquí solo importa la proporcionalidad relativa de las señales.

Al mejorar la homogeneidad del campo magnético en los equipos, la traza de los protones equivalentes se transforma en absorciones más complejas y por lo tanto, difíciles de medir (área encerrada por la curva.). A fines de la década de los años 60, prácticamente todos los equipos de RMN estaban, afortunadamente, provistos de un dispositivo capaz de medir automáticamente las áreas bajo las curvas en los espectros.

Así, puede pedírsele al instrumento, la integración de un espectro dado, y el graficador comenzaba por describir una curva plana desde el lado izquierdo del espectro hasta enfrentar la primera absorción, luego se elevaba a un nivel tal que relativamente corresponde proporcionalmente al número de protones equivalentes representado por el área de la curva en el espectro, para luego continuar con la segunda absorción en el espectro, y así con todas las absorciones hasta llegar al extremo derecho.

Actualmente, la integración se ha simplificado al extremo de que automáticamente puede hacerlo el equipo. (ver Figura 15).



Figura 15. Espectro que muestra el trazo de la integración sobre cada tipo de

protón.

Prácticamente, la integración toma significado, cuando se comparan las alturas en las curvas entregadas por el instrumento.

Actualmente la integración puede hacerse a voluntad o como lo desee el usuario según su necesidad. Los equipos modernos entregan la información en hojas separadas de, por ejemplo:

1.- Espectro general de la sustancia.

2.- Posición de las bandas principales en (Hz). Debe conocerse la frecuencia principal del instrumento para transformarlas a la escala ppm, que es independiente de las características del instrumento.

3.- Integración de las bandas relevantes en todas, indicando en cada caso, la posición en Hz de todas las señales detectadas en el espectro.

4.- Cuando se desea ampliar alguna zona no bien definida de un espectro, es posible pedirle al instrumento mayor detalle de aquel segmento en cuestión.

Espectroscopia de resonancia magnética nuclear de 13C

La resonancia magnética nuclear de 13C es complementaria a la de 1H. Esta última técnica se utiliza para deducir la estructura del esqueleto carbonado observando los entornos magnéticos de los átomos de hidrógeno, mientras que la espectroscopia de RMN de 13C determina el entorno magnético de los átomos de carbono.



Aproximadamente el 99% de los átomos de carbono en una muestra natural son del isótopo 12C. Este isótopo posee un número par de protones y un número par de neutrones, por tanto, no tiene espín magnético y no puede dar lugar a señales de resonancia magnética nuclear. El isótopo de 13C menos abundante tiene un número impar de neutrones, lo que le confiere un espín magnético de 172, igual al del protón.

La espectroscopia de resonancia magnética nuclear de 13C es menos sensible que la de 1H debido a que sólo el 1% de los átomos de carbono posee espín y a que, además, la frecuencia de resonancia del 13C, para un campo magnético dado, es la cuarta parte de la que se da en la RMN de 1H.

Los desplazamientos químicos del carbono son de 15 a 20 veces mayores que los del hidrógeno debido a que el carbono está directamente unido a los átomos que resultan ser bien apantallantes o desapantallantes. Por ejemplo, el protón de un aldehído absorbe a 9.4 ppm en el espectro de 1H mientras que el carbono de carbonilo absorbe a 180 ppm en el espectro de 13C.

Además, las señales en el espectro de 13C son líneas verticales, es decir, no hay desdoblamientos de espín-espín. Esto se debe a que sólo el 1% de los átomos de carbono entran en resonancia, y por tanto, existe una probabilidad muy pequeña de que un núcleo de 13C esté adyacente a otro núcleo de 13C.

A continuación se da una tabla de valores aproximados de desplazamientos químicos en un espectro de resonancia magnética nuclear de 13C:

Tabla 9. Desplazamientos químicos para algunas especies químicas.



Interpretación de los espectros de resonancia magnética nuclear de 1H. La rápida y correcta interpretación de los espectros de resonancia magnética nuclear de protones requiere de mucha práctica. A continuación se citan los pasos a seguir para llevar a cabo el análisis espectral de forma correcta:

1. A partir de la fórmula molecular:

a. Calcular el número de insaturaciones que posee el compuesto cuya estructura se quiere elucidar. Este número de instauraciones puede indicar la presencia de anillos, dobles o triples enlaces. El número de instauraciones se calcula según la siguiente expresión:

b. Relacionar las áreas de integración de los picos con el número de totales de protones de la estructura para obtener el número de protones que representa cada pico individual.

2. La presencia de un singulete ancho en el espectro podría deberse a protones de –NH o –OH. Si el singulete ancho se encuentra más allá de 10 ppm es probable que se trate de un –OH de ácido.

3. Las señales entre 10 y 9 δ son indicativas de la presencia de un aldehído.

4. Las señales que aparecen entre 8 y 7 δ indican la presencia de un anillo aromático.

5. Las señales entre 6 y 5 δ indican la presencia de protones olefínicos. Mediante el valor de la constante de acoplamiento se puede deducir si la olefina es cis o trans.

6. Las señales entre 4 y 3 ppm indican que hay protones en un carbono unido a un

grupo electronegativo como es el oxígeno o un halógeno.



7. La presencia de una señal alrededor de 2.5 ppm se debe al protón de un alquino terminal.

8. Las señales que aparecen entre 2.5 y 2.1 ppm pueden indicar la presencia de

protones adyacentes a un grupo carbonilo.


El pre informe debe contener los principales conceptos teóricos para la interpretación de un espectro.

MATERIALES, EQUIPOS Y REACTIVOS

Espectros RMN de 1H de moléculas desconocidas

METODOLOGÍA

Revise los conceptos descritos en el marco referencial y úselos para la elucidación de las estructuras propuestas como material de trabajo.

Ingrese a la pagina de Organic Structure Elucidation Workbook (De click aquí) link: http://www3.nd.edu/~smithgrp/structure/workbook.html Observara la siguiente información:

http://www.nd.edu/~smithgrp/structure/workbook.html

http://www3.nd.edu/~smithgrp/structure/workbook.html



De click en el link “DO the Problems” ubicado en el menú a la derecha y

observara la siguiente información:

Escoja tres ejercicios de los 64 que hay disponibles. Recuerde que los verdes son fáciles, los amarillos intermedios y los rojos difíciles.

Utilice la información que le suministra al escoger un ejercicio y encuentre a cual estructura molecular corresponde. Observe que para ayudarlo se le da el espectro Infrarojo (IR), el RMN de 1H y 13C y el espectro de masas.

RESULTADOS

1. Presente en cada espectro los picos y las señales observadas en una tabla. Para cada espectro proponga una estructura y explique por qué.

2. Analice sus resultados teniendo en cuenta la información contenida en los fundamentos teóricos y en el capítulo 8 del Módulo guía del curso espectroscopía.


Elabore un informe que contenga los resultados obtenidos en el análisis de los espectros propuestos. Revise los anexos para establecer la estructura con que debe presentar el informe de laboratorio.



4 ANEXOS

4.1 ORIENTACIONES PARA LA CONSTRUCCIÓN DE UN INFORMES DE LABORATORIO DE QUÍMICA ORGÁNICA

Estructura del informe

Los posibles usos y aplicaciones sociales del conocimiento científico solo serán posibles si este es difundido, para lo cual la comunidad científica prepara escritos que son en primera instancia presentados en círculos científicos pequeños que se encargan de estudiarles y discutirles para que posteriormente sean ajustados y publicados. En nuestro trabajo académico pretendemos asimilar esta estructura, así el escrito que se presentará como informe de Laboratorio de Química Orgánica deberá contener la siguiente información y distribución (Rodríguez Pérez, 2008):

1. Título. Declara la pregunta o problema de investigación.

2. Nombre del autor o autores.

3. Formación profesional o académica de los autores.

4. Resumen. Recoge el conjunto de pasos, procesos, resultados y conclusiones del trabajo experimental en unas cuantas líneas, (es elaborado una vez terminadas las otras partes del escrito).

5. Introducción. Proporciona información sobre el contenido del experimento exponiendo la hipótesis comprobada, los antecedentes del mismo y su significado como objeto de investigación.

6. Materiales y métodos. Escrito en pasado, reporta con exactitud la metodología empleada. Para esto se recomienda un mapa o diagrama de procesos.



7. Resultados. Describen los datos recolectados durante la experiencia y se apoya en tablas, gráficas, diagramas que se insertan en el texto que se elabore. En este apartado también se dan respuestas a las preguntas formuladas en cada práctica.

8. Análisis de resultados. Presenta la interpretación de los resultados hecha por el autor a la luz de la teoría en contraste con los datos experimentales.

9. Conclusiones. El documento finaliza con la presentación puntual de las ideas finales a las que el autor pudo llegar.

10. Referencias. Reporte de libros, artículos y direcciones web empleadas, se deben seguir las normas oficialmente aprobadas para referenciar.

11. Anexos. Fotografías, tablas, o cualquier información adicional que enriquezca el informe de laboratorio

Observaciones

• El documento debe incluir los datos completos del tutor de teoría y de laboratorio, así como el tipo de mediación.

4.2 SOBRE LOS LABORATORIOS DEL CURSO DE ESPECTROSCOPIA (401539)

Los laboratorios se realizan de forma presencial en cada uno de los CEAD de acuerdo a las condiciones y recursos que estos designen. La programación de los mismos corre a cargo de la coordinación de cada CEAD. Cada estudiante tiene la responsabilidad de inscribir sus actividades de laboratorio.

Los eventos prácticos estarán orientados por un tutor de laboratorio. El tutor asignado dirigirá las sesiones y generará la nota de laboratorio a partir de la valoración de: pre informes, informes y desempeño individual de cada una de las prácticas (esto como mínimo). La nota del evento práctico deberá ser enviada por



el tutor de laboratorio, a cada tutor de teoría con copia al director nacional del curso.

La realización de las prácticas de laboratorio es obligatoria para aprobar el curso, el peso de la nota de las prácticas sobre el 100% de la nota del curso corresponde a un 30%. El valor total de los laboratorios en puntos es de 150/300, para los estudiantes virtuales. Cada laboratorio tiene un puntaje sugerido de 25/300.

Los tutores de laboratorio de acuerdo a sus recursos pueden ajustar los productos a calificar, sin embargo como mínimo estos deben evaluar por cada práctica:

• Desempeño de laboratorio

• Pre informe de laboratorio

• Informe de laboratorio (de acuerdo a la estructura propuesta)

4.3 SEGURIDAD EN EL LABORATORIO

Normas para el manejo de reactivos y soluciones

La ejecución de un análisis químico de calidad requiere reactivos y soluciones de pureza comprobada, en tal sentido, es vital cumplir con las normas para el manejo de reactivos. A continuación se presentan las más importantes:

• Seleccionar el reactivo químico de mejor calidad que se encuentre disponible.

• Elegir la botella de menor volumen para obtener la cantidad necesaria.

• Tapar el frasco inmediatamente después de haber tomado la cantidad deseada. Por ningún motivo delegue a otro esta acción.

• Mantener los tapones o tapas de los frascos de los reactivos entre los dedos, estos deberán estar protegidos por guantes, nunca debe colocarse un tapón sobre la mesa.

• A menos que el tutor indique otra cosa, nunca se debe devolver el reactivo a una botella.



• A menos que el tutor indique otra cosa, nunca se deben insertar espátulas, o cualquier objeto extraño en un recipiente que contenga un reactivo sólido, a menos que el tutor lo indique.

• No consuma alimentos o bebidas en el laboratorio.

• Siempre mantenga los elementos de seguridad, guantes y gafas de protección.

4.4 MANEJO DE SUSTANCIAS QUÍMICAS

La seguridad en el laboratorio no se limita únicamente a la protección personal o de la infraestructura, sino también a un manejo adecuado de los reactivos químicos encaminado a preservarlos de la contaminación y del desperdicio (UDEA, 2009).

Sustancias sólidas

Los reactivos sólidos normalmente se almacenan en recipientes de boca ancha correctamente etiquetados y antes de abrirlos se gira e inclina la vasija de tal manera que algo del contenido pase a la tapa plástica. A continuación se remueve cuidadosamente la tapa con sólido dentro de ella y se golpea suavemente hasta obtener la cantidad deseada (UDEA, 2009).

Cuando se requieren cantidades apreciables, comparadas con el contenido del frasco, se inclina la botella suavemente y se gira hacia atrás y hacia adelante hasta retirar lo necesario. Si el reactivo se encuentra compactado, se tapa el recipiente y se agita fuertemente para lograr romper los terrones. Evitar introducir elementos como destornilladores, espátulas de hierro u otro objeto que pueda contaminar el sólido. Si el reactivo es muy fino y libera polvo fácilmente, debe utilizarse una mascarilla apropiada (UDEA, 2009).

Sustancias líquidas

Los líquidos se almacenan por lo general en recipientes de boca angosta o en frascos con gotero.

No deben introducirse pipetas o cualquier otro dispositivo directamente dentro de la botella que contiene el líquido, esto conduce generalmente a la contaminación de todo el contenido, a menos que se indique lo contrario por parte del tutor.



Las reacciones que liberan gases tóxicos o corrosivos deben realizarse dentro de una campana de extracción, bajo supervisión del tutor, recuerde siempre activar el extractor de la cabina, si es necesario use también mascaras de protección.

4.5 SÍMBOLOS DE PELIGROSIDAD2

Son pictogramas que indican las características reactivas de una sustancia, estos permiten establecer rápidamente las medidas de seguridad que se deben considerar en el manejo de las mismas. A continuación se presentan los más relevantes:

Recuperado de:

http://docencia.udea.edu.co/cen/tecnicaslabquimico/03anexos/imagenes/anexo03simbolos.gif (Julio, 2009)

Sustancias explosivas

Peligro. Este símbolo señaliza sustancias que pueden explotar bajo determinadas condiciones.

Ejemplo: dicromato de amonio.

Precaución. Evitar choques, percusión, fricción, formación de chispas y contacto con el calor.

Sustancias oxidantes (comburentes)

2 Adaptado de: (UDEA, 2009) Disponible en: http://docencia.udea.edu.co/cen/tecnicaslabquimico/03anexos/anexo02.htm, recuperado: Julio 2009.

http://docencia.udea.edu.co/cen/tecnicaslabquimico/03anexos/imagenes/anexo03simbolos.gif



Peligro. Los compuestos comburentes pueden inflamar sustancias

combustibles o favorecer la amplitud de incendios ya declarados, dificultando su extinción.

Ejemplo: permanganato de potasio, peróxido de sodio.

Precaución. Evitar cualquier contacto con sustancias combustibles. Sustancias fácilmente inflamables

Sustancias autoinflamables. Ejemplo: alquilos de aluminio, fósforo. Precaución. Evitar contacto con el aire

Gases fácilmente inflamables. Ejemplo: butano, propano. Precaución. Evitar la formación de mezclas inflamables gas-aire y aislar de fuentes de ignición.

Sustancias sensibles a la humedad. Productos químicos que desarrollan emanaciones de gas inflamable al contacto con el agua. Ejemplo: litio, borohidruro de sodio. Precauciones: evitar contacto con agua o con humedad.

Líquidos inflamables

En términos muy sencillos, los líquidos inflamables son aquellos que fácilmente pueden arder. El que un líquido arda con más o menos facilidad depende de su punto de llama. Entre más bajo sea este punto más fácilmente arde el reactivo y por lo tanto mayor cuidado se ha de tener en su manejo, almacenamiento y transporte.

Sustancias tóxicas

Peligro. Tras una inhalación, ingestión o absorción a través de la piel pueden presentarse, en general, trastornos orgánicos de carácter grave o incluso la muerte.

Ejemplo: trióxido de arsénico, cloruro de mercurio (II).

Precaución. Evitar cualquier contacto con el cuerpo y en caso de malestar acudir inmediatamente al médico.



Sustancias nocivas

Peligro. La incorporación de estas sustancias por el organismo produce efectos nocivos de poca trascendencia.

Ejemplo: tricloroetileno.

Precaución. Evitar el contacto con el cuerpo humano así como la inhalación de vapores. En caso de malestar acudir al médico.

Sustancias corrosivas

Peligro. Por contacto con estas sustancias se destruye el tejido vivo y también otros materiales.

Ejemplo: bromo, ácido sulfúrico.

Precaución. No inhalar los vapores y evitar el contacto con la piel, los ojos y la ropa.

Sustancias irritantes

Peligro. Este símbolo destaca en aquellas sustancias que pueden producir acción irritante sobre la piel, los ojos y sobre los órganos respiratorios.

Ejemplo: amoníaco, cloruro de bencilo.

Precaución. No inhalar los vapores y evitar el contacto con la piel y los ojos. res y evitar el contacto con la piel y los ojos.

componente practico espectroscopia 401539

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