Princípios de espectroscopia molecular(1)

Princípios da espectroscopia molecular

1) Natureza da Luz

A natureza ondulatória da radiação eletromagnética geralmente é utilizada em instrumentos analíticos para identificar substâncias desconhecidas e determinar sua quantidade. O campo da espectroscopia realmente começou com a descoberta de Newton de que a luz solar poderia ser dividida por um prisma em um arco-íris de sete cores. Embora, para o olho humano, as cores básicas pareçam vermelho, amarelo, verde, azul e violeta, além de laranja e marrom, existem variações infinitas entre elas. A luz é uma radiação eletromagnética e tem natureza de onda e de partícula. Quando uma substância é irradiada por ondas eletromagnéticas, ocorrem fenômenos como transmissão, absorção, reflexão e dispersão.

O período de uma onda é conhecido como seu comprimento de onda, e uma onda eletromagnética é um termo genérico para ondas com comprimentos de onda de 10 km a 10^-6 nm. Em termos de ordem decrescente de comprimento de onda, temos ondas de rádio, micro-ondas, “luz”, raios-X e raios-y. Na região das ondas de rádio, existem ondas de baixa frequência, ondas ultralongas, ondas longas, ondas médias, ondas curtas, ondas de frequência ultra alta e micro-ondas. As ondas de rádio são usadas para comunicação e utilizam o fato de poderem se propagar facilmente, mesmo se houver obstáculos na direção da viagem.

O termo “luz” refere-se a comprimentos de onda na faixa de alguns milímetros a alguns nanômetros. Essa região do espectro é dividida em luz infravermelha, luz visível e luz ultravioleta em ordem decrescente de comprimento de onda. Raios-X são ondas com comprimento de onda de 1 nm ou menos e raios-y são ondas com comprimento de onda de 10 horas ou menos. Os raios X e γ sofrem menos interação com a matéria do que a luz e, portanto, penetram facilmente nas substâncias. Isso permite que raios-X e raios-γ sejam usados em particular para geração de imagens. O espectro produzido reflete a interação de ondas de um determinado comprimento de onda com objetos de um determinado tamanho, como átomos, moléculas e polímeros.

O espectro é plotado com o comprimento de onda ao longo do eixo horizontal e a intensidade ao longo do eixo vertical. Desde a descoberta, no século XIX, de que a luz faz parte do espectro eletromagnético, medições foram realizadas em várias faixas de comprimento de onda para obter espectros exclusivos de uma substância em particular. A intensidade espectral está relacionada à concentração da substância. Isso levou ao amplo uso de técnicas espectroscópicas para análises qualitativas e quantitativas.

A interação entre matéria e ondas eletromagnéticas é amplamente dividida em reflexão, transmissão e absorção. As próprias ondas podem sofrer dispersão, difração, interferência e refração. A energia eletromagnética pode ser absorvida por fenômenos como reações químicas, ionização e efeito fotoelétrico. A espectroscopia molecular trata da absorção de energia por átomos e moléculas sob irradiação por luz infravermelha, visível ou ultravioleta. A luz infravermelha pode ser subdividida em infravermelho distante, infravermelho médio e infravermelho próximo em ordem decrescente de comprimento de onda. A luz ultravioleta pode ser subdividida em ultravioleta e ultravioleta a vácuo em ordem decrescente de comprimento de onda. As características da luz nesses diferentes comprimentos de onda estão descritas no capítulo 3,

“Luz Utilizada na Espectroscopia Molecular”.

Em 1932, a mecânica quântica revelou que as interações entre ondas eletromagnéticas e matéria envolviam a absorção e emissão de fótons, e espectroscopia tornou-se um termo geral para métodos de investigação de tais interações, em campos que variam da química analítica à astronomia. Na espectroscopia óptica ou de raio X, as ondas são dispersas por um prisma ou uma grade de difração e o comprimento de onda é selecionado usando uma fenda. Por outro lado, métodos de análise como espectroscopia eletrônica e espectrometria de massa separam partículas carregadas, como elétrons e íons, que passam através de um campo eletromagnético de acordo com sua energia cinética. “Dispersar ondas por comprimento de onda” e “dividir partículas carregadas por energia” são equivalentes a comprimento de onda / frequência / número de ondas / conversão de energia.

A espectroscopia envolvendo ondas de rádio inclui espectrometria de ondas submilimétricas e terahertz. A espectroscopia de ondas de rádio é aplicada há muito tempo para observações atmosféricas e astronômicas globais e, por exemplo, tem sido usada para investigar os níveis atmosféricos de ozônio e a convecção de CO₂. A espectroscopia óptica inclui medições dos espectros de absorção, emissão, espalhamento e fotoelétrons. Os métodos espectroscópicos usando raios-X incluem métodos de fluorescência de raios-X, métodos de difração de raios-X e métodos de transmissão de raios-X. Além de serem usados em instalações de pesquisa de aceleradores que emitem radiação sincrotrônica, os raios gama também são importantes nos campos da astronomia e astrofísica.