La radiazione infrarossa e le vibrazioni indotte nei legami molecolari

La spettroscopia infrarossa studia l’assorbimento della radiazione infrarossa da parte delle molecole organiche. La radiazione infrarossa è quella parte dello spettro magnetico che ha lunghezze d’onda comprese tra quelle della radiazione visibile (< 0.7 μm) a quelle delle microonde (> 1 mm).

Spettroscopia, chimica, analitica, organica, raggi infrarossi, vibrazione. Interazione, onde elettromagnetiche, materia, assorbimento, spettro, bande, lunghezza d’onda, ampiezza Energy Close-up Engineering
Sciencedirect.com

La zona che interessa maggiormente il chimico organico è quella compresa fra 4.000 e 400 cm-1. La spettroscopia IR è una tecnica analitica che si basa sull’interazione fra una radiazione elettromagnetica e la materia, ed è detta spettroscopia di vibrazione; infatti quando una molecola organica viene investita da una radiazione infrarossa la cui  la cui frequenza sia compresa fra 10.000 e 100 cm-1, l’energia ceduta dalla radiazione stessa viene convertita in energia vibrazionale, e sono due i modi fondamentali in cui la molecola può vibrare:

  • Vibrazione di stretching (stiramento): dovuto a stiramento ritmico lungo l’asse di legame
  • Vibrazione di bending (piegamento): dovuto a variazione dell’angolo di legame

Quando queste vibrazioni determinano una variazione del momento dipolare della molecola, allora si ha una vibrazione IR attiva. Quando si ha una tale variazione, infatti, la molecola, vibrando, produce un campo elettrico oscillante. Ciò rende possibile lo scambio di energia con le onde elettromagnetiche e quindi assorbimento di energia.

L’assorbimento di energia e lo spettro IR

Maggiore è la variazione del momento dipolare, maggiore è l’assorbimento! Utilizzando uno spettrometro IR è possibile ottenere lo spettro IR di un dato materiale, ottenuto diagrammando l’intensità dell’assorbimento in funzione della lunghezza d’onda.

Sebbene sia riferito alla molecola nella sua interezza, è caratterizzato da dei picchi riferibili a gruppi funzionali specifici, facenti parte della sua struttura.

Lo spettro infrarosso si presenta come una sequenza di bande di assorbimento registrate in funzione della lunghezza d’onda (o del numero d’onda).

I parametri che caratterizzano una banda di assorbimento IR sono:

  • Posizione, che viene indicata con la sua λmax (in micrometri µm) o più spesso in numero d’onda ν (cm-1)
  • Intensità di una banda (cioè l’altezza del picco) esprime la probabilità che avvenga la transizione energetica dallo stato fondamentale a quello eccitato (da parte del gruppo funzionale) che provoca l’assorbimento. È consuetudine classificare le bande in: forti (strong), medie (medium), deboli (weak)
  • Forma delle bande IR, può essere di due tipi: stretta (sharp), larga (broad)

In figura è riportato, a titolo di esempio lo spettro IR della lecitina.

Spettroscopia, chimica, analitica, organica, raggi infrarossi, vibrazione. Interazione, onde elettromagnetiche, materia, assorbimento, spettro, bande, lunghezza d’onda, ampiezza Energy Close-up Engineering
Pubs.rsc.org

Le zone tipiche dello spettro

È possibile dividere lo spettro in zone tipiche:

  • ZONA A (3650 – 2500 cm-1) → frequenze di stretching del legame X–H (x è un generico atomo)
  • ZONA B (2300 – 2100 cm-1) → frequenze di stretching dei tripli legami
  • ZONA C (1800 – 1500 cm-1) → frequenze di stretching dei doppi legami
  • ZONA D (1650 – 1300 cm-1) → frequenze di bending nel piano X–H)
  • ZONA E (1300 – 900 cm-1) → stretching dei legami singoli X – Y zona dell’impronta digitale
  • ZONA F (< 1000 cm-1) → bending fuori dal piano H – X

In particolare poi all’interno di queste zone, ogni legame assorbirà energia ad una lunghezza d’onda tipica, per esempio lo  stiramento dei carbonili (C=O) è riscontrabile nello spettro in un range di frequenze che va da 1850 a 1700 cm-1. In figura è riportato uno schema delle zone tipiche di assorbimento.

Spettroscopia, chimica, analitica, organica, raggi infrarossi, vibrazione. Interazione, onde elettromagnetiche, materia, assorbimento, spettro, bande, lunghezza d’onda, ampiezza Energy Close-up Engineering
Ipfs.io

L’analisi dello spettro

Quindi associando ogni banda ad un legame, utilizzando delle tavole apposite riportate in letteratura, e ragionando in maniera qualitativa, su altezza e ampiezza della banda sarà possibile trarre utili informazioni per il riconoscimento di una molecola incognita.

Per approfondire l’argomento si consiglia la lettura di “Infrared Spectroscopy: Fundamentals and Applications” di Barbara H.Stuart.