Características y aplicaciones de la espectroscopía molecular

Por Viviana Matilde Mesa Cornejo, Jorge Enrique Mejía Sánchez y María del Rayo Ángeles Aparicio Fernández

En esta obra se comenta brevemente cómo en los principios del universo se formaron diferentes átomos que se agrupan en elementos químicos y la aparición de moléculas pequeñas, que combinadas dieron como resultado moléculas complejas.

El propósito principal del libro es analizar los efectos resultantes en la interacción de diversos tipos de energía con las moléculas orgánicas o inorgánicas. Se dan indicaciones básicas para la aplicación de la técnica de espectroscopia molecular, ofreciendo puntos de referencia y respuestas a los objetivos buscados por los químicos y físicos en el análisis cualitativo y cuantitativo.

Se ofrece una amable lectura individual dirigida a lectores curiosos, grupos de licenciatura y maestría en ciencias. Se ha tratado de escribir cada página con sencillez y con un trazo desenfadado para describir las bases, aplicaciones y alcances de cada técnica espectroscópica.

• Idioma: Español
• Editorial: Editorial Universidad de Guadalajara
• Fecha de lanzamiento: 8 feb 2024
• ISBN: 9786075810331

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PREFACIO

En esta obra se comenta brevemente como en los principios del universo se formaron diferentes átomos que se agrupan en elementos químicos y la aparición de moléculas pequeñas que combinadas dieron como resultado moléculas más complejas.

El propósito principal del libro es analizar los efectos resultantes en la interacción de diversos tipos de energía con las moléculas orgánicas o inorgánicas. También se encuentran indicaciones básicas para la aplicación de la técnica de espectroscopía molecular ofreciendo puntos de referencia y respuestas a los objetivos buscados por los químicos y físicos en el análisis cualitativo y cuantitativo.

La obra ofrece una amable lectura individual dirigida a lectores curiosos o para disfrutarse en grupos escolares de licenciatura o en maestrías específicas. Se ha tratado de escribir cada página con sencillez y con un trazo desenfadado para describir las bases, aplicaciones y alcances de cada técnica espectroscópica.

Estimado lector, ponemos a tu alcance este libro con la esperanza que sirva de cultura general y de complemento a los conocimientos adquiridos en tu preparación académica. Con un profundo agradecimiento a su aceptación y divulgación de este.

Jorge Medina Valtierra

Gabriela Camarillo Martínez

Capítulo 1.

El origen de las moléculas y los compuestos

La formación de las moléculas y la evolución de estas es la historia misma de la vida sobre la faz de la Tierra y es parte muy importante de la evolución de los cuerpos celestes. En un principio, es muy probable que sólo existía la radiación y que las partículas fundamentales distribuidas uniformemente a temperaturas y densidades inimaginables constituían la materia original del universo. Hace aproximadamente catorce mil millones de años la radiación y las partículas se concentraron en un espacio muy estrecho que pudo ser del tamaño de una pelota grande, una montaña o quizá con las dimensiones de un planeta pequeño. Fue tanta la energía acumulada que la inmensa presión generada fue mucho mayor que la atracción hacia su centro gravitacional provocando de esta manera la gran explosión (Big-Bang) a partir de la cual y debido a la inmensa energía generada, el universo sigue experimentando una rápida expansión y enfriándose continuamente.

La continua expansión por miles de millones de años le da al universo un carácter infinito y homogéneo. Por estas razones, en realidad cualquier sitio o punto es el centro del universo; una galaxia, una estrella, nuestro Sol o inclusive el planeta Tierra. Con ello se le concede la razón a la soberbia mostrada por los sabios de la antigüedad cuando consideraban y promulgaban que nuestro planeta era el centro del universo.

Por la dilución de su energía es muy probable que la expansión del universo se va desacelerando y llegará a un punto muerto o quizá un punto de inflexión donde invertirá su proceso y comenzará a contraerse también en forma acelerada hasta llegar al punto de inicio; al sistema inicial dentro de aproximadamente catorce mil millones de años si el tiempo en expandirse es el mismo que gasta en contraerse hasta donde lo permita la energía y la presión acumulada en un punto crítico. Este proceso completaría un ciclo del universo que incluye; explosión, expansión e implosión. Esta es sólo una teoría, al igual que muchas otras, pues hasta el día de hoy no hay evidencia contundente para sustentarla. Se supone que en cada nueva posible explosión se crearían nuevas leyes universales, nuevas constantes físicas y químicas y partículas fundamentales diferentes que cambiarían el concepto de materia, energía y universo que hoy en día conocemos.

La materia comenzó a crearse con la coalescencia de las partículas fundamentales; hadrones por un lado y leptones por otro lado, de acuerdo con una de las teorías que existen, con la formación de protones con carga positiva (p) y electrones (e-), respectivamente en una de las primeras etapas en la evolución del universo que se definen principalmente por tres parámetros; tiempo, temperatura y energía presentes.

Las partículas fundamentales dentro de la clase de leptones son; neutrino, electrón, o partículas más pesadas como el muón y el taón. La masa de estos leptones sumamente pequeña va creciendo en la misma secuencia que se mencionaron. Estas partículas aparecen combinadas en la radiación cósmica o con una alta probabilidad en la radiación emitida por reacciones nucleares para formar la clase secundaria de partículas fundamentales. Por otro lado, hay evidencia teórica y experimental que los protones están compuestos por tres quarks, una clase de hadrones que, unidos fuertemente en ese número mágico, forma partículas estables y esféricas o lo más cercano a estas, que es la forma geométrica que presenta la menor área por volumen y por consecuencia, mayor estabilidad. Respecto a la carga positiva del protón, al menos uno de los quarks tiene carga positiva o bien, los tres quarks presentan un cierto carácter positivo que ya unidos dan como resultado la positividad presentada por el protón.

En un sistema con una gran energía, semejante a la que existía en las primeras etapas del universo o la que existe en el seno de algunas estrellas muy calientes, el choque entre un protón y un electrón es tan fuerte que estas partículas se fusionan para formar un neutrón y algo de energía que se genera debido a la transformación del 4 % de la masa del protón original de acuerdo a la famosa ecuación de Einstein para la transformación de masa en energía E = mc², de esta ecuación se deduce que el proceso de convertir energía en una cierta cantidad de masa también es posible.

A una escala menor podemos argumentar que el neutrón es la asociación neutra formada por tres quarks, un neutrino, un antineutrino y un electrón zombie o cautivo. En esta asociación los neutrinos actúan como pegamento y aislante y el electrón permanece inactivo, pero puede retomar su actividad electrostática y su carga negativa si el neutrón llega a descomponerse ya que este es inestable si se encuentra aislado o libre. Estas partículas también pueden presentar una gran inestabilidad en el núcleo atómico debido a efectos electromagnéticos que se suscitan en los elementos que son radiactivos o en otros procesos de degradación nuclear.

Los neutrinos han dejado de ser solo una hipótesis dado que han sido detectados y observados en la radiación que proviene de reactores nucleares. Estas partículas casi no interaccionan con la materia, en parte porque son mucho más ligeros que los electrones, pero sin ser etéreos. Estos viajan con la radiación solar, atraviesan nuestros cuerpos y la corteza terrestre sin desviarse hasta la profundidad de varios kilómetros donde posiblemente una pequeña porción de estos, se absorben en los minerales fundidos del núcleo terrestre. Ante esto, los neutrinos son las partículas elementales de un átomo con mayor energía y penetración y este fenómeno natural ha llegado a definirse como la insolencia de la naturaleza. Se necesitaría una pared de plomo con un espesor de quince billones de kilómetros para impedir que la mitad de los neutrinos la atravesaran.

La fusión de un protón y dos electrones posiblemente es muy raro más no imposible y este fenómeno puede producir un protón con carga negativa, o sea, un antiprotón. Esta teoría la sustenta la reacción experimental entre un protón y su antipartícula resultando un neutrón y el anti neutrón ambos con carga neutra y misma masa, pero con diferencias en su comportamiento o bien, pueden presentar alguna propiedad física diferente (Álvarez y Medrano, 2003). La combinación de partículas elementales y fundamentales es posible y de hecho se da este proceso dando como resultado la aparición de otras partículas que ya han sido evidenciadas en un número extenso. Por ejemplo, la interacción de un fotón con un electrón o con el mismo protón agrega energía y puede cambiar el momento electromagnético y el comportamiento de la partícula resultante.

En esta sección y por convencionalismo llamaremos al electrón, al protón y al neutrón, partículas elementales debido a que combinadas son las únicas que directamente