Vibrações moleculares

As vibrações moleculares são um dos três tipos diferentes de movimento para moléculas que incluem movimento translacional (quando a molécula inteira vai na mesma direção) e movimento rotacional (quando a molécula gira como um topo)

Um movimento vibracional para uma molécula é quando os laços entre os átomos dentro de uma molécula se movem. Pense nos átomos como bolas redondas que são presas por uma mola que pode se esticar para frente e para trás. Um exemplo deste movimento é o "alongamento", o exemplo mais simples de uma vibração para uma molécula e que ocorre entre apenas dois átomos. Alguns exemplos de moléculas que são assim incluem hidrogênio H2, nitrogênio N2 e oxigênio O2

Tipos de vibração

Se a molécula tem mais de dois átomos, então as coisas ficam mais complicadas. Suponha que apenas mais um átomo seja adicionado, então agora há três átomos como na água H2O, onde os dois átomos de hidrogênio estão ambos ligados ao átomo central de oxigênio. Lembre-se que com o hidrogênio havia um tipo de alongamento, mas na água há dois tipos de alongamento e quatro outros tipos de vibração chamados vibrações de flexão, como mostrado abaixo.

Os átomos de um grupo CH2 ou moléculas como a água podem vibrar de seis maneiras diferentes: estiramento simétrico e antissimétrico, tesoura, balançar, abanar e torcer:

Estiramento simétrico	Estiramento anti-simétrico	Tesoura

Rocking	Abalançando	Torcendo

estiramento simétrico: quando os dois átomos ligados se afastam e em direção ao átomo central ao mesmo tempo.

estiramento antissimétrico: Quando os dois átomos ligados não se afastam e se dirigem ao átomo central ao mesmo tempo.

tesoura: Assim como o nome diz que a tesoura é quando os dois átomos se afastam e se voltam um para o outro

balançando: Este movimento é como um pêndulo em um relógio que vai e vem apenas aqui um átomo é o pêndulo e há dois em vez de um.

abanando: Se uma pessoa levanta a mão na sua frente e coloca ali dois dedos em um sinal em "V" e dobra ali o pulso na sua direção e longe deles. Aqui, as pontas dos dedos são os átomos presos e o pulso é o átomo central.

torção: Este movimento é como se uma pessoa andasse sobre uma esteira onde sua cintura é o átomo central e seus pés são os dois átomos apegados.

Moléculas com mais de três átomos

As moléculas com mais de três átomos são ainda mais complicadas e têm ainda mais vibrações, às vezes chamadas de "modos vibracionais". Cada novo modo vibracional é basicamente uma combinação diferente dos seis mostrados acima. Quanto mais átomos na molécula, mais formas podem ser combinados. Para a maioria das moléculas com N átomos, o número de vibrações possíveis para essa molécula é de 3N - 6, enquanto moléculas lineares, ou moléculas com átomos em linha reta, têm modos vibracionais 3N - 5.

Relação de Energia e Vibração

Mecânica newtoniana

Usando a mecânica newtoniana, as vibrações de uma molécula podem ser calculadas tratando as ligações como molas. Isto é útil porque, como uma mola, uma ligação requer energia para esticá-la e também é necessária energia para apertá-la. A energia necessária para esticar ou espremer a ligação depende da rigidez da ligação, que é representada pela constante k da mola, e da massa reduzida, ou "centro de massa" dos dois átomos ligados a qualquer uma das extremidades denotada por μ. A fórmula usada para relacionar a energia necessária para causar uma vibração na ligação é:

E = h ν = h 2 π k μ . E=h=hnu =h sobre 2pi {\i}{sqrt {k {mu \i}.{\i} } $\ E=h\nu ={h \over {2\pi }}{\sqrt {k \over \mu }}.\!$

h: é a constante do Planck

ν: é a freqüência e representa a taxa na qual o vínculo é esmagueado e puxado para fora novamente. Quanto maior ν, mais rápido esta taxa se torna.

Ε: é a energia necessária para empurrar e puxar a ligação.

μ: A massa reduzida são as duas massas dos átomos multiplicadas juntas e divididas por sua adição:

μ = m 1 m 2 m 1 + m 2 . {\i1}displaystyle {\i}mu ={\i_{\i}m_{\i}m \sobre m_{1}+m_{2}.{2}.{3}! } $\mu ={m_{1}m_{2} \over m_{1}+m_{2}}.\!$

Mecânica quântica

Usando a mecânica quântica, a fórmula que descreve a mola é exatamente a mesma que a versão da mecânica newtoniana, exceto que somente certas energias ou níveis de energia são permitidos. Pense nos níveis de energia como degraus de uma escada onde uma pessoa só pode subir ou descer um degrau de cada vez. Assim como essa pessoa não pode ficar no espaço entre degraus, também a ligação não pode ter uma energia entre os níveis de energia. Esta nova fórmula se torna:

E n = h ν = h ( n + 1 2 ) 1 2 π k m {\i}=h=hnu =h=esquerda(n+{1 {1 \i}direita){1 {2 {2 \i} {sqrt {k {k {m \i}! } $E_{n}=h\nu =h\left(n+{1 \over 2}\right){1 \over {2\pi }}{\sqrt {k \over m}}\!$ ,

onde n é um número quântico ou "nível de energia" que pode tomar valores de 0, 1, 2 ... A afirmação de que os níveis de energia só podem subir ou descer um nível de cada vez é conhecida como uma regra de seleção que afirma que as únicas transições permitidas entre os níveis de energia são:

Δ n = ± 1 {\i1}displaystyle {\i1}Delta n=\i1} $\Delta n=\pm 1$

onde \Delta n é a transição energética.

Aplicações dos movimentos vibracionais

Quando a luz de uma certa freqüência atinge uma molécula que tem uma vibração cujo movimento corresponde à mesma freqüência, então a luz é absorvida pela molécula e a energia da luz faz com que as ligações se movam naquele movimento vibracional específico. Ao verificar se a luz é absorvida, os cientistas podem dizer se existe um certo tipo de ligação molecular e compará-la com uma lista de moléculas que têm essa ligação.

No entanto, algumas moléculas como hélio e argônio têm apenas um átomo e não têm nenhum vínculo. Isto significa que elas não absorverão nenhuma luz da mesma forma que uma molécula com mais de uma lata de átomo.

Os campos específicos da química que utilizam vibrações moleculares em seus estudos incluem a espectroscopia infravermelha (IR) e a espectroscopia Raman (Raman) com IR sendo mais amplamente utilizada e tendo três subcampos próprios. Estes subcampos são conhecidos como espectroscopia de infravermelho próximo, infravermelho médio e infravermelho distante. A seguir está uma lista geral destes campos e aplicações no mundo real

Near IR: determinação quantitativa de espécies como proteínas, gorduras, hidrocarbonetos de baixo peso molecular e água. O uso adicional é obtido nas indústrias de produtos agrícolas, alimentícia, petrolífera e química.

Mid IR: O mais popular dos campos IR, é usado na determinação da estrutura dos compostos orgânicos e bioquímicos.

RI distante: este campo é menos popular embora tenha encontrado usos em estudos inorgânicos

Raman: É utilizada para o estudo qualitativo e quantitativo de sistemas inorgânicos, orgânicos e biológicos, muitas vezes como uma técnica complementar às RI.