Espectro infravermelho do cloreto de hidrogênio

Dois picos e sua origem

Uma descrição geral de como e porque se porta esta molécula no espectro do infravermelho. Este artigo relaciona-se como parte importante do artigo sobre ácido clorídrico e cloreto de hidrogênio, pois trata de caracterizar minuciosamente o comportamento de tal molécula.

Introdução

Um clássico espectro molecular, o espectro de absorção do HCl pode ser analisado para entender-se tanto como rota e como vibra esta molécula.[1] Sendo a molécula de HCl uma molécula diatômica, a análise de seu espectro em infravermelho resulta em informação sobre a molécula e as diferenças entre os valores próprios de seus movimentos de vibração e rotação.[2]

Esquema simplificado de uma molécula de cloreto de hidrogênio.

A modelagem teórica do espectro infravermelho é tão precisa que permite inclusive a modelagem matemática (computacional).[3] Os estudos de espectros infravermelhos de moléculas diatômicas monta ao ano de 1926, com os trabalhos de Oppenheimer.[4]

Julius Robert Oppenheimer (22 de Abril de 1904 – 18 de Fevereiro de 1967).

O espectro infravermelho do cloreto de hidrogênio gasoso consiste de um número de finas linhas de absorção agrupadas em torno de 2886 cm⁻¹ (comprimento de onda de ~3.47 µm).[5] A molécula do HCl possui dipolos permanentes, resultando em uma distribuição desigual dos elétrons de ligação[6], e absorve fótons, e converte-os em energia cinética na forma de rotação e vibração[7], que torna-se calor no ambiente (aqui, caracteriza-se por isto o HCl como um gás do “efeito estufa”).

O espectro do HCl (faculty.evansville.edu).

ν_e c = v

Onde c é a velocidade da luz (3 x 10¹⁰ cm s^-1). Esta escala faz a frequência vidracional da maioria das molécula um número conveniente de unidades de cm^-1, ou números de onda, i.e. ν_e varia de aproximadamente 100 a 4.000 cm^-1. (A molécula aqui analisada, HCl, tem ν_e de aproximadamente, como citamos, 3000 cm^-1).[10]

É de se notar que o mais baixo nível de energia de um oscilador harmônic tem E(v) = hν_e/2 (o ponto de energia zero) e níveis adjacentes de energia igualmente espaçados de ΔE(v) = hcν_e.[10]

O Espectro

O espectro é descrito como tendo três regiões[11][12]:

• 1. a faixa P, na qual o número quântico rotacional J altera-se por -1;

  2. a faixa Q, na qual J não altera-se

  3. a faixa R, na qual J altera-se por +1.

A temperatura ambiente, quase todas as moléculas no estado mínimo tem v = 0. Ao promover uma molécula de HCl ao estado v = 1, esperaríamos ver uma absorção no infravermelho aproximadamente a 2880 cm⁻¹. Esta absorção corresponde a faixa Q não é observada devido a ser proibida devido à simetria. Ao invés disto, dois conjuntos de sinais (faixas P e R) são vistas devido à rotação das moléculas.

Espectro em infravermelho do HCl – editado da Wikipédia em língua inglesa, traduzido do holandês.

Devido à leis da mecânica quântica, somente certos modos rotacionais são permitidos. Existe um número de diferentes níveis rotacionais a temperatura ambiente, como indicado pela distribuição de Boltzmann, e cada um destes níveis tem associado um número quântico rotacional J.[11] Onde J = 0, 1, 2, 3, … ΔJ pode somente tomar valores de ± 1.[13][14]

Mecânica quântica também provê as energias rotacionais próprias de um rotor rígido linear[10]:

E(J) = [h² / (8π²I)].J.(J+1)

Onde ´h é novamente a constante de Planck e I é o momento de inércia da molécula sendo (e é) tratada como um “halteres”.

Se a constante rotacional é definida por:

B = h² / (8π²I)

A constante rotacional pode ser expressa em unidades de número de onda (cm⁻¹⁾[10]:

B = B/c

O que nos leva a:

E(J) = h·B·J(J+1)

O valor de B é muito menor que ν_e, tal que uma muito menor quantidade de energia é requerida para rotar a molécula; para uma molécula típica, esta se situa na região de microondas. Entretanto, devido a energia vibracional desta molécula, o conjunto das adsorções encontra-se dentro da região do infravermelho, permitindo um espectro que mostra os modos de rotação e vibração desta molécula seja coletado facilmente usando um espectômetro infravermelho comum com uma célula convencional de gás.

Plotando os números quânticos rotacionais atribuídos (de transições fundamentais) da faixa (ramo) R e faixa P (J+1 e -J respectivamente) versus suas energias (normalmente em cm-1) e tomando uma regressão de terceira ordem (cúbica)[15] dos dados segue-se para o cálculo da contante de distorção centrífuga, momento de inércia, comprimento médio da ligação[15], a constante de acoplamento e outras informações úteis.[16]

Par de picos devido à composição isotópica do cloro – Wikipédia em língua inglesa

Cloro naturalmente abundante consiste de dois isótopos, ³⁵Cl e ³⁷Cl, na razão de aproximadamente 3:1. Enquanto as constantes elásticas são muito similares, as massas reduzidas (m) são diferentes.[9]

m = M1.M2/(M1+M2)

Significativas diferenças na energia rotacional assim os pares são observados em vista de maior resolução de cada linha de absorção, ponderados na mesma razão de 3:1 (³⁵Cl 75.5% e ³⁷Cl 24.5%[1]).

Referências

Obs: Ao ser realizada a transferência dos artigos do Google Knol para o Anottum, houve a perda parcial das referências deste artigo. Assim que possível, sua referenciação será recuperada e aprimorada. Contando com sua compreensão, grato.

1. Vibration-Rotation Spectrum of HCl

2. hyperphysics.phy-astr.gsu.edu

3. Mueller, Michael; Fundamentals of Quantum Chemistry - Molecular Spectroscopy and Modern Electronic Structure Computations; 2001, 280 p. ISBN: 978-0-306-46596-3

4. W. Bryan Lynch; Simulation of the HCl Rotational-Vibrational Spectrum - A Physical Chemistry Laboratory

5. faculty.evansville.edu

6. David C. Cassidy; "Oppenheimer's first paper: Molecular band spectra and a professional style";Historical Studies in the Physical and Biological Sciences; March 2007, Vol. 37, No. 2, Pages 247–270 , DOI 10.1525/hsps.2007.37.2.247

7. Billy Delfs, Ethan Englund, Dave Baker; Vibrational-Rotational Spectra of HCl

8. ed.augie.edu

9. Infrared Spectroscopy

10. www.umsl.edu

11. S.F. Sontum; Normal Modes of Vibration

12. community.middlebury.edu

13. B.H. Bransden e C.J. Joachain, Physics of Atoms and Molecules, 2nd. Ed., Pearson Education Limited, UK, 2003.

14. INFRARED SPECTRUM OF HYDROGEN CHLORIDE

15. www.chem.uic.edu

16. The Rotation / Vibration Spectrum of HCl

17. chem.ufl.edu

18. Infrared rovibronic spectroscopy of HCl

19. gustavus.edu

20. The Vibration-Rotation Spectrum of Gaseous HCl

21. home.sou.edu

22. Barrow, G. M. Physical Chemistry; WCB McGraw-Hill: Boston, 1996.

23. Hollas, J. M. Modern Spectroscopy; 3 ed. John Wiley & Sons: New York, 1996.

24. Ken Solberg, Levi Stanley, Andrew Aspaas; Vibrational-Rotational Spectra of HCl

25. ed.augie.edu

26. Shoemaker, D.P., C.W. Garland, J.W. Nibler. “Vibrational / Rotational Spectra of HCl and DCl.” Experiments in Physical Chemistry. 6th Edition. WCB / McGraw Hill, 1996. pp. 397-404.