“TECNICAS DE CARACTERIZACIÓN”

UNIVERSIDAD AUTONOMA DE COAHUILA

FACULTAD DE CIENCIAS QUIMICAS

Rubén André Santillana Marín

Saltillo, Coahuila Noviembre 2012

Análisis termogravimétrico (TGA) • Se registra constantemente la masa de una muestra, colocada en una

atmósfera controlada, en función de temperatura o tiempo al ir aumentando la temperatura de la muestra de manera lineal con el tiempo.

• Los instrumentos comerciales modernos constan de: Balanza analítica muy sensible Horno Sistema de control y almacenamiento de datos Gas de purga

PRINCIPIO DE MEDIDA TGA

Sensibilidad 0.1 μg a temperatura constante Sensibilidad de 1 μg en condiciones de trabajo

MATERIALES UTILIZADOS EN LOS HORNOSMÁS HABITUALES

Tipo de horno Elemento resistivo

Horno Crisoles

25-1000ºC Nichrome and

Kanthal

Fused quartz Aluminium (600ºC) Alúmina

25-1600ºC Molybdenum Alúmina

Mullita

PlatinumAlúmina

Ejemplos de crisoles

Factores experimentales que afectan la precisión de las medidas TGA

Masa

Temperatura

Flotabilidad Velocidad de calentamiento

Turbulencias de la atmósfera. Interacción

atmósfera muestra

Conductividad térmica

Condensación y reacciones

Entalpía de los procesos

Fuerzas electrostáticas y magnéticas

Posición de muestra, horno y

sensor de temperatura

Deriva eléctrica Deriva eléctrica

Patrones

Temperatura • Indio • Aluminio • Oro • Platino

Masa • Pesa (100 miligramos) • Pesa (50 miligramos)

TGA

CALIBRACIÓN EN TEMPERATURA

1.-Se prepara un crisol con los patrones : In (2 perlas 12mg), Al (Un trozo, 6 mg) 2.- Se somete a programa térmico adecuado para registrar la fusión de los materiales 3.- Se evalúan los resultados con SDTA: Se determina temperaturas de fusión para cada el material puro basadas en Tª de muestra y Tª de horno. 4.- Se calibra el equipo 5.- Se realiza un chequeo con In y Al, para verificar Tª

CALIBRACIÓN EN MASA

1.-Se auto-calibra el equipo con pesas de calibración interna

 

2.- Se toma una muestra patrón por ejemplo carbonato cálcico y se

ensaya con el programa térmico adecuado y luego se evalúan las

pérdidas de masa y se comprueba con la composición dada por el

producto

Espectroscopia Infrarroja

La figura 1: Espectro Electromagnético.

IR

800-1.000.000 nm

A mayor longitud de onda menor energía

Espectroscopia Infrarroja

IR CERCANO

IR MEDIO IR LEJANO

800nm 2.500nm 50.000nm

1.000.000nm

La figura 2: Regiones del espectro infrarrojo.

Espectroscopia InfrarrojaABSORCIÓN EN EL INFRARROJO

Vibraciones de Tensión

ν1: Simétricoν3: Asimétrico

Vibraciones de Flexiónν2: Tijereteox: Aleteoy: TorsiónZ: Balanceo

Espectroscopia Infrarroja

INSTRUMENTACIÓN

FUENTESELECT

ORCELDA

DETECTOR

REGISTRADOR

Espectroscopia Infrarroja1. La Lámpara de Nerst: es un cilindro

delgado fabricado con óxidos de tierras raras, de unos 20mm de longitud por 1 a 2mm de diámetro. Se hace pasar corriente eléctrica por el cilindro , para calentarlo, con conexiones eléctricas en sus dos extremos. A las temperaturas de operación, el cilindro brilla al rojo sombra.

2. La Fuente Globar: El Globar es una barra de carburo de silicio con calentamiento eléctrico, de unos 5cm de longitud y 3mm de diámetro. Esta fuente suele producir una radiación IR más intensa que la lámpara de Nerst, a números de onda menores a 2000cm-1.

N (Número de Onda) 1/λ

FUENTE

Tienen un sólido inerte que se calienta eléctricamente hasta una T>1500·C.

Espectroscopia Infrarroja

FUENTE

Tienen un sólido inerte que se calienta eléctricamente hasta una T>1500·C.

3. Fuente de IR con Arco de Mercurio: se usan en aplicaiones en el infrarrojo lejano. Consiste en un tubo conchaqueta de cuarzo, que contiene mercurio a una presión mayor que 1atm, a través del cual se hace pasar corriente eléctrica que forma un plasma interno, emisor de radiación.

4. Lámpara de filamento de Tungsteno: las lámpara convencionales se pueden usar como fuentes para la región de IR cercano, dentro de los límites aproximados de 4000 a 12500cm-1.

Espectroscopia Infrarroja

SELECTOR MONOCROMADOR

CELDA DEPENDE DEL TIPO DE MUESTRA

Espectroscopia Infrarroja

DETECTOR

1. Detectores Térmicos: funcionan midiendo los efectos de calentamiento de la radiación IR sobre un componente diseñado para actuar como un cuerpo negro.

Los termopares son el tipo más frecuente de detector térmico. Éstan formados de un tramo de un conductor metálico al que se fijan dos trozos de metales distintos . Entre las dos uniones se desarrolla una diferencia de potencial , que está relacionada con los cambios de temperatura entre las dos uniones metal-con metal, al calentar una de ellas.

2. Detectores Piroeléctricos: están formados por una capa de material piroeléctrico (sulfato de triglicina deuterada) emparedada entre dos electrodos (uno de ellos hecho de un material transparente a la radiación IR), que forman un capacitor. La radiación IR que pasa por la ventana causa un calentamiento del material, que a su vez cambia la polarización del material y la capacitancia del detector.

Espectroscopia Infrarroja

DETECTOR

3. Detectores Fotoconductores: consiste en una capa semiconductora delgada, de un material como telururo de cadmio, que recubre una superficie no conductora de vidrio encerrada en una envolvente de vidrio al vacío. La exposición del semiconductor a la radiación IR eleva electrones de valencia, desde estados no conductores hasta estados conductores, aumentando así la conductividad del dispositivo.

REGISTRADOR

Espectros IR

Espectroscopia InfrarrojaPara obtener los espectros IR hay dos tipos de instrumentos:

1. Espectrómetros IR Dispersivos de Rejilla: son aquellos en los que el espectro se analiza en secuencia siguiendo la dispersión de radiación de varias longitudes de onda, mediante un monocromador o una rejilla de difracción.

En caso normal, los espectrómetros dispersivos son instrumentos de doble haz que usan rejillas de difracción para dispersar y seleccionar la frecuencia de la radiación IR a partir de una fuente blanca.

2. Espectrómetros de Transformada de Fourier multiplex (FTIR): son los más utilizados actualmente. A diferencia del dispersivo de rejilla, detecta todas las longitudes de onda y se miden en forma simultánea

Espectroscopia InfrarrojaTratamiento de las Muestras:

1. Muestras Líquidas Viscosas

No Viscosas Volátiles

No Volátiles

Celda Desmontable para Muestras Líquidas Volátiles

Discos de NaCl

Celda desmontable

Parafina

Espectroscopia InfrarrojaTratamiento de las Muestras:

2. Muestras Sólidas

3. Muestras Gaseosas

Solubles en un solvente

Suspensión con Aceite de Nujol

Insoluble en un solvente

Suspensión con KBr

Trampa de Gases

Espectroscopia Infrarroja La espectrometría del infrarrojo es sumamente útil para determinaciones cualitativas de compuestos orgánicos y para deducir estructuras moleculares a partir de sus grupos funcionales tanto de compuestos orgánicos como inorgánicos.

En el análisis cualitativo la espectroscopia de infrarrojo puede usarse para la identificación

de sustancias puras o para la absorción, localización e identificación de impurezas.

Para localizar una impureza en una sustancia se hace una comparación en el espectro de las sustancia que se estudia y una muestra de la sustancia pura. Las impurezas causan bandas de absorción adicionales que aparecen en el espectro.

En el IR también están encontrando uso cada vez mayor en el análisis cuantitativo, el principal campo de aplicación de este tipo de análisis se halla en la cuantificación de contaminantes atmosféricos que provienen de procesos industriales.

Espectroscopia Infrarroja

Tablas de Correlación

Espectroscopia Infrarroja

Región de la huella dactilarRegión de frecuencias de grupo

En los espectros IR se pueden distinguir dos zonas, una de 3600 a 1200 cm-1, conocida como región de Frecuencias de Grupo y otra entre 1200 a 600 cm-1, la región de la Huella Dactilar.

En general primero se analiza la región de frecuencias de grupo, para identificar a los grupos de la molécula y luego se afina el procedimiento analizando la región de la “huella digital” que es particular de cada molécula.

Espectroscopia Infrarroja

Hay algunos grupos que absorben en la región de la “huella digital”, como el C-O-C (1200 cm-1) ó C-Cl (700 a 800 cm-).

Espectroscopia Infrarroja

La “huella dactilar”: Esta región muestra las pequeñas diferencias en estructura que puede tener una molécula (se muestran las particularidades de las moléculas). Como consecuencia, la estrecha correspondencia entre dos espectros de esta región, indica la identidad del compuesto.

La mayoría de los enlaces simples originan bandas de absorción a estas frecuencias y como sus energías son aproximadamente iguales, se produce una fuerte interacción entre enlaces vecinos. Las bandas resultantes son el resultado de estas interacciones y dependen de la estructura básica general de la molécula.

Debido a la complejidad, es difícil interpretar de forma exacta estos espectros, pero a su vez, esta complejidad conduce a la singularidad y por ende a la utilidadde esta región en la identificación de compuestos.

Espectroscopia Infrarroja

Ejemplo 1. C10H22

Espectro sencillo. Seguramente un HCsaturado (no haybandas de doble enlace).

Bandas C-H

Flexión CH2

A 1467

Flexión del CH3

La ausencia de bandasEntre 1300 y 750 cm-1

Sugiere una estructuraDe cadena lineal.

La banda a 782 cm-1 indicaque hay 4 o más gruposCH2 en la cadena.

El compuesto es n-decano

Espectroscopia Infrarroja

Ejemplo 3. C8H16

La fórmula indica un doble enlace

Estiramiento C=C1650

En 998 y 915 haybandas de deformaciónC-H, con un pico débilen 720 cm-1.

Además, el pico a 720indica al menos 4 CH2

El compuesto es 1 octeno