Espectroscopia IV e Espectrometria de Massas no PE

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO
ESCOLA DE QUÍMICA
ANDREW DE CARVALHO LEITE GAMA 
AULA 11 – IDENTIFICAÇÃO DAS SUBSTÂNCIAS
INTEGRAÇÃO DOS DADOS, PONTO DE EBULIÇÃO E SOLUBILIDADE, INFRAVERMELHO E ESPECTROMETRIA DE MASSAS
Rio de Janeiro – RJ
2025.1
Aula 11 – Identificação das substâncias: Integração dos dados, ponto de ebulição e solubilidade, infravermelho e espectrometria de massas.
Disciplina: Química Orgânica Experimental I – IQO130 
Docente: Débora de Almeida Azevedo 
Discente: Andrew de Carvalho Leite Gama
1- INTRODUÇÃO
A análise orgânica qualitativa é uma parte essencial da prática laboratorial em química orgânica. Seu objetivo é identificar e caracterizar compostos desconhecidos, estabelecendo sua estrutura e composição molecular. Para isso, é fundamental o uso combinado de ensaios químicos clássicos e técnicas espectrais modernas. Dependendo do caso, o composto fornecido pode ser completamente desconhecido - exigindo a identificação da classe funcional - ou parcialmente conhecido, quando já se sabe, por exemplo, que se trata de uma cetona, álcool, amina, entre outros. A partir dessa base, o objetivo será identificar qual molécula específica se encaixa naquela classe. 
Nesse contexto, entram as técnicas espectroscópicas e espectrométricas, que se tornaram ferramentas indispensáveis. 
Figura 1: Relação entre energia, frequência, comprimento de onda e número de onda
Figura 2: Comprimento de onda de Louis De Broglie
Diferentes técnicas revelam diferentes aspectos da molécula:
· A espectrometria de massas permite determinar com precisão a massa molecular e fornece pistas sobre a estrutura química de uma molécula por meio dos fragmentos gerados.
· A espectroscopia no infravermelho permite identificar grupos funcionais específicos com base nas vibrações moleculares.
Cada uma dessas técnicas contribui com informações complementares, tornando possível a elucidação estrutural completa de um composto orgânico desconhecido.
2- ESPECTROMETRIA DE MASSAS
A espectrometria de massas é uma técnica instrumental utilizada para determinar a massa molecular de uma substância e a abundância isotópica dos analitos, identificar sua estrutura química e analisar os fragmentos gerados pela quebra de suas ligações. Ela baseia-se na produção de íons a partir das moléculas da amostra, seguida por sua separação com base na razão massa/carga (m/z) e detecção. 
Destaca-se por sua alta sensibilidade, seletividade e aplicabilidade em análises qualitativas e quantitativas de diferentes tipos de amostras.
O espectrômetro de massas é o equipamento responsável por esse processo e é composto, basicamente, por quatro partes:
· Fonte de íons – onde ocorre a ionização da amostra (por exemplo, por impacto de elétrons);
· Analisador de massas – separa os íons de acordo com a razão m/z (ex.: setor magnético, tempo de voo, quadrupolo etc.);
· Detector – registra os íons e converte o sinal em um espectro;
· Sistema de manipulação de dados – interpreta os resultados e gera o espectro de massas.
A ionização ocorre quando a molécula é bombardeada por elétrons de alta energia (tipicamente 70 eV), formando um cátion molecular (M⁺·), sendo que a energia excedente frequentemente causa fragmentações que revelam informações estruturais. 
Em seguida, os íons são acelerados por um campo elétrico e separados pelo analisador conforme sua razão massa/carga (m/z), utilizando métodos como setor magnético, que separa íons pela trajetória em campo magnético; tempo de voo (TOF), que mede o tempo que os íons levam até o detector; quadrupolo, que filtra íons pela estabilidade de suas trajetórias oscilatórias; e trapa iônica, que aprisiona íons temporariamente para ejetá-los em ordem de m/z. Finalmente, os íons colidem com um detector, como o multiplicador de elétrons, gerando sinais elétricos que são amplificados e convertidos em dados para análise.
Figura 3: O que ocorre por trás de um espectrômetro de massas
O resultado da análise é um espectro de massas, no qual cada pico representa um íon com determinada razão m/z. O pico mais intenso do espectro chama-se pico-base (intensidade = 100%). O pico do íon molecular (M⁺) revela a massa molecular da substância, enquanto picos menores indicam fragmentos estruturais, úteis para dedução da fórmula ou do esqueleto da molécula. É comum observar, ainda, picos secundários associados a isótopos naturais, como o carbono-13 (¹³C) ou deutério (²H).
3- ESPECTROSCOPIA NO INFRAVERMELHO
A espectrofotometria no infravermelho é uma técnica instrumental baseada na absorção de radiação eletromagnética na região do infravermelho, sendo largamente utilizada na identificação de grupos funcionais em compostos orgânicos. A técnica é não destrutiva, rápida e fornece informações qualitativas e, em alguns casos, quantitativas sobre a amostra.
Figura 4: Medição de determinada faixa do espectro
A radiação infravermelha compreende comprimentos de onda entre aproximadamente 1000 µm e 780 nm. O infravermelho médio – muito usado no ramo da Química Orgânica - se encontra entre 50 µm e 2,5 µm (ou, de forma equivalente, 4000 cm⁻¹ a 200 cm⁻¹ em número de onda).
Figura 5: Espectro eletromagnético
As ligações químicas vibram de modo comparável a molas, com modos de estiramento (stretching) e deformação (bending). Quando a molécula absorve radiação, ocorrem transições entre estados rotacionais ou vibracionais. Para que a absorção ocorra, é necessário que haja uma variação no momento dipolar da molécula durante a vibração.
Figura 6: Expressão mais precisa para a energia vibracional molecular
Quando um átomo ou um íon recebe energia suficiente, seus elétrons podem ser promovidos a níveis de energia mais elevados, em um estado excitado. Contudo, esses estados são instáveis, e os elétrons logo retornam a níveis de energia mais baixos ou ao estado fundamental. 
Figura 7: Níveis de energia da matéria ao emitir uma onda eletromagnética
Nesse processo de relaxamento, a energia extra é liberada na forma de luz, cuja frequência (ou cor) é característica do elemento químico. O conjunto dessas frequências emitidas forma o chamado espectro de emissão.
Figura 8: Espectro de emissão de diversos elementos
Figura 9: Espectro de emissão do Neônio
Cada espécie molecular absorve frequências específicas da radiação eletromagnética porque suas ligações químicas vibram de forma única e seus elétrons ocupam níveis de energia distintos. 
Figura 10: Substância em estado excitado pelo fenômeno de absorção molecular
		Quando uma substância é irradiada com luz, ela absorve apenas as frequências que correspondem às suas transições vibracionais, rotacionais ou eletrônicas.
Figura 11: Modos de vibração molecular
Essas frequências absorvidas aparecem como bandas no espectro, que funcionam como uma "impressão digital molecular". 
Figura 12: Espectro de absorção do Neônio
O espectro de absorção é gerado quando um feixe contínuo de radiação atravessa uma amostra, e parte dessa radiação é absorvida por frequências específicas que ressoam com as vibrações moleculares – o que permite detectar quais ligações estão presentes, tal como um “quebracabeça molecular”
Por exemplo, um grupo carbonila (C=O) absorve fortemente em torno de 1700 cm⁻¹ no infravermelho, enquanto ligações O–H aparecem por volta de 3200–3600 cm⁻¹. Assim, ao analisar o espectro de absorção, é possível identificar quais grupos funcionais estão presentes e, combinando essas informações, muitas vezes determinar qual é a substância.
Cada grupo funcional apresenta modos vibracionais característicos, produzindo bandas de absorção em regiões específicas do espectro.
Figura 13: Principais bandas analíticas e posições de pico relativas para absorções proeminentes no infravermelho próximo
	Quando a radiação luminosa incide sobre uma substância, vários fenômenos podem ocorrer: reflexão, refração, espalhamento ou absorção. O comportamento dependerá da estrutura da substância e do comprimento de onda da luz incidente. Essa seletividade é a base para diversas técnicas espectrofotométricas.A relação entre a quantidade de luz absorvida e a concentração da substância é descrita pela Lei de Beer-Lambert
Figura 14:Relações obtidas para a radiação monocromática – Lei de Beer-Lambert
Nesta equação, “A” representa a absorbância (adimensional), “c” representa a concentração molar da espécie em solução (mol·L⁻¹), “b” a distância percorrida pela radiação através da solução (cm) e “ε” o coeficiente de absorção molar da espécie em estudo (L·mol⁻¹·cm⁻¹). Tanto A quanto ε dependem do comprimento de onda da luz. Quando a concentração é expressa em g·L⁻¹, ε assume unidades de L·g⁻¹·cm⁻¹, de forma a cancelar as unidades de b e c e manter a absorbância como uma grandeza sem unidade. 
A absorbância (A) de uma solução está relacionada de forma logarítmica à sua transmitância (T), ou seja, quando a absorbância aumenta, a transmitância diminui, e vice-versa.
Exemplo: Se uma solução tem transmitância de 10%, significa que apenas 10% da luz passou, e 90% foi absorvida.
Figura 15: Relação entre luz de energia radiante, transmitância e absorbância
	A lei não se aplica a soluções com concentrações elevadas (> 10-2 mol/L)
4- ABORDAGEM INTEGRADA PARA IDENTIFICAÇÃO DE SUBSTÂNCIAS DESCONHECIDAS
Embora testes de classificação ainda possam ser úteis, métodos espectroscópicos como IV e RMN tornaram-se os principais recursos na identificação de compostos orgânicos. Com o avanço tecnológico, é possível obter informações estruturais detalhadas de forma rápida e ambientalmente mais adequada.
A identificação completa normalmente segue duas etapas complementares:
· Análise clássica: Inclui observações físicas (estado, cor, odor), determinação de ponto de fusão/ebulição, testes de solubilidade e alguns ensaios simples. Essa triagem inicial ajuda a restringir o grupo funcional presente.
· Análise Espectroscópica: Após reduzir as possibilidades, aplicam-se espectros de IV e RMN (¹H e ¹³C) para confirmar a estrutura molecular. 
Compostos podem apresentar funções orgânicas e estruturas distintas, o que altera radicalmente suas propriedades físico-químicas.
Tabela 1: Comparação entre compostos com fórmula C₄H₈O₂
	Função orgânica
	Nome do composto
	Estrutura
	Ponto de ebulição (ºC)
	Solubilidade em água
	Ácido Carboxílico
	
Ácido butanoico
	
	
~164
	
Alta
	Éster
	
Acetato de etila
	
	
~77
	
Moderada
	Aldeído + Álcool
	
2-hidroxibutanal
	
	
~142
	
Alta
Mesmo com massa molecular idêntica (~88 g/mol), pode-se analisar fatores como a solubilidade e o ponto de ebulição em prol de estreitar possibilidades estruturais iniciais. Em seguida, a espectrometria de massas e a espectroscopia IV fornecem os dados definitivos para a elucidação estrutural.
5- REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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