La historia comienza en 1666 cuando Isaac Newton tuvo la ocurrencia de hacer pasar un haz de luz solar a través de un prisma triangular de vidrio. Al emerger la luz por la cara opuesta esta se descompuso en un espectro con los colores del arcoiris, desde el rojo hasta el violeta. Más tarde en el año 1814, el óptico alemán Joseph von Fraunhofer, repitió el experimento, pero esta vez, haciendo pasar previamente el haz de luz a través de una ranura delgada, produciendo un espectro más delicado. Tras una inspección más cuidadosa, Fraunhofer notó que el espectro había sido cruzado por centenares de líneas oscuras (más tarde llamadas "líneas de Fraunhofer") correspondiendo a colores específicos o frecuencias de luz faltantes de la misma luz solar.

Los colores que faltaban eran debido a una barrera química interpuesta entre la fuente de irradiación en el centro del Sol y el prisma. Eran átomos de elementos como el hidrógeno en las capas externas del Sol las que absorbían luz de ciertas frecuencias (o longitud de onda), e impedían que el color alcanzara la Tierra. Cuando Fraunhofer notó la existencia de líneas oscuras, había observado el primer "espectro de absorción" atómico, y fue así como nació la espectrometría.

Las modernas técnicas de espectroscopia consisten en hacer pasar la iluminación de la radiación electromagnética a través de una muestra química, y ver que longitud de onda se bloquea a su paso. La técnica, en principio no es diferente del experimento de Fraunhofer. La determinación de un espectro de absorción requiere de una fuente de radiación electromagnética, una muestra de átomos o moléculas en estado, líquido o sólido, más un elemento de dispersión para descomponer las longitudes de ondas constituyentes y un detector capaz de medir intensidad de la radiación transmitida. En el experimento de Fraunhofer, el Sol fue la fuente de radiación y las capas exteriores del astro rey proveyeron la muestra (una mezcla de gases atómicos). El utilizó un prisma para dispersar la radiación solar en sus longitudes de ondas constituyentes y se detectó el espectro resultante con un telescopio teodolito.

En los espectrómetros modernos, los químicos pueden seleccionar fuentes de radiación estándares, tales como lámparas o lasers, que les permiten irradiar en rangos particulares de longitudes de ondas (ver Figura 1). Ellos pueden, por ejemplo, escanear una muestra con longitudes de ondas en la región del espectro infrarrojo, comprendidas en el rango de 1 a 100 micrómetros (millonésimas de metros). Alternativamente, ellos pueden irradiar muestras con ondas de radio o con radiación visible y/o ultravioleta. Cada rango o banda de radiación enviada a través de una muestra le dice al espectroscopista algo nuevo acerca de las moléculas presentes en la muestra.


Claves espectrales. Gráficos y picos.

Los detectores están hechos para aceptar y procesar radiación después que esta ha pasado a través de una muestra. Usualmente, el espectro resultante se presenta como un gráfico que tiene la apariencia de una serie de picos. Se requiere de un espectroscopista con experiencia para poder interpretar un espectro.

Los espectroscopistas utilizan fuentes que son lo más monocromáticas posible (es decir, de una sola longitud de onda), y que se pueden variar continuamente para barrer algún un rango determinado de longitudes de ondas. Se emplean, también, arreglos para comparar la intensidad de la radiación transmitida a través de la muestra con la de un haz de referencia, de modo que cualquier contribución no deseada de los solventes o la cámara de vidrio que contiene a la muestra sea neutralizada.

Una molécula puede absorber radiación electromagnética tanto de la componente eléctrica o magnética de la onda. Sin embargo, la mayor parte de la espectroscopia molecular esta orientada para detectar como las moléculas interactúan con la componente eléctrica. Las moléculas absorben radiación eléctrica y magnética en forma de "paquetes" discretos de energía llamados fotones. Dado que las moléculas extraen estos fotones de la radiación, las correspondientes longitudes de ondas son eliminadas o aparecen con menor intensidad cuando La radiación alcanza el detector. Al mismo tiempo, la energía adicional absorbida del fotón produce en la molécula los llamados estados "excitados". La radiación que contiene fotones de energías diferentes produce distintos tipos de estados excitados. La luz visible y ultravioleta, con longitudes de ondas medidas en cientos de nanómetros (milésimas de micrones), puede excitar las moléculas llevándolas a estados de energías electrónicas más altos, lo que usualmente debilita los enlaces químicos entre los átomos. Esto es fotoquímica y ocurre cada vez que los rayos del Sol iluminan el pasto verde.

La radiación calórica o infrarroja, de baja energía, con longitudes de onda medidas en micrómetros (millonésimas de metros), puede generar en las moléculas diferentes tipos de movimientos de vibración. Como una colección de pequeñas pelotas (átomos) unidas por resortes (enlaces químicos), una molécula formada por muchos átomos puede realizar un conjunto complicado de movimientos de vibración que se denominan pintorescamente extensor, cortante, de tijera, balanceo y giro (ver Figura 2). A los movimientos de vibración se les sobreponen, además, movimientos de rotación. Las moléculas giran en el espacio al mismo tiempo que vibran. Una molécula con dos átomos, por ejemplo, realizará movimientos de rotación que se asemejarán a los de una hoja que cae en el espacio. Trasladándonos a la región de energías aún mas bajas, la absorción de radiación de microondas (longitudes de onda de centímetros y milímetros), excita en las moléculas los niveles de energía rotacional más altos.

Las moléculas no absorben todas las longitudes de onda con que se irradian cuando se barre con la fuente de radiación del espectrómetro algún rango de longitudes de onda pre establecido. Esto es bastante obvio a partir del hecho que existen líneas de Fraunhofer: la absorción ocurre en longitudes de onda discretas en lugar de continuas, a lo largo de amplias zonas del espectro. Además, la energía se absorbe en cantidades discretas llamadas cuantos y el proceso total es gobernado por las leyes de la mecánica cuántica.

Estas leyes explican por qué hay cuantización de la energía en átomos y moléculas. Dentro de una molécula individual, tal como una molécula de agua, sólo algunos niveles de energía son posibles y están caracterizados por números enteros llamados números cuánticos. Las transiciones entre estos niveles ocurren en saltos cuánticos instantáneos. La diferencia de energía entre los dos niveles involucrados en una transición (DE) determina la frecuencia de la radiación del fotón que puede ser absorbido, mediante la fórmula descrita por el físico danés Niels Bohr: DE = hn, donde h es in constante de Planck y n es la frecuencia del fotón.


Niveles de energía, subiendo la ladera

Podemos imaginar que las moléculas poseen una ladera característica de niveles de energía cuantizados (ver Figura 3). Los niveles de energía asociados al movimiento de translación de las moléculas a través del espacio se encuentran al pie de la ladera y están muy cerca entre sí por lo que son de poca utilidad para el espectroscopista. Descontando la traslación, en parte baja de la ladera (los niveles de menor energía) son aquellos que están asociados a los movimientos de rotación pura de la molécula. A medida que subimos la ladera nos encontramos con los niveles de vibración, donde cada nivel tiene asociado su propio subconjunto de niveles rotacionales. Moviéndonos aún más alto por la ladera, encontramos los niveles electrónicos asociados a los diferentes patrones o distribuciones de las "nubes" de electrones que rodean a los núcleos atómicos y que determinan la forma de Ia molécula. Cada nivel electrónico tiene su propio conjunto de niveles vibracionales que a su vez tiene su propio subconjunto de niveles rotacionales. Los espectroscopistas pueden inferir la estructura de una molécula haciendo mapas de la ladera de energía.


Bandas espectrales de líneas a jorobas

Al número de moléculas de una muestra en un cierto nivel de energía se le llama "población" del nivel. Cuando las moléculas absorben radiación de la fuente de un espectrómetro, una parte de la población de los niveles más bajos involucrados en las transiciones es transferida a niveles más altos.

En principio cada transición entre dos niveles de energía da lugar a una línea en el espectro de absorción, estando sus intensidades gobernadas por las leyes de la mecánica cuántica. En la práctica, las limitaciones impuestas por la naturaleza y por los espectrómetros utilizados impiden que se vean las líneas individualmente. Sin embargo, los espectroscopistas casi siempre son capaces de hacer uso de la información, aún cuando esta aparezca come picos anchos o jorobas, en lugar de líneas discretas.

Por ejemplo, las moléculas con muchos átomos tienen un número grande de niveles de energía de vibración y de rotación, muchos de los cuales se encuentran poblados a la temperatura ambiente. Aunque los niveles de energía son discretos, ellos pueden estar tan cerca entre si que resulta imposible distinguirlos individualmente. En lugar que la radiación eleve la población de un único nivel de energía a otro más alto, la población de muchos niveles es transferida a otros tantos más altos. Además, si las moléculas se encuentran en solución, las colisiones e interacciones con las moléculas del solvente tales como las del agua, pueden producir características propias en un espectro de absorción. Estos efectos son más importantes en la espectroscopia con luz visible y ultravioleta que se realiza con muestras disueltas.

Los patrones formados por los espaciamientos de los niveles en la ladera de la energía revelan detalles de las simetrías, estructuras y propiedades de las moléculas así como sus identidades. Los espectroscopistas emplean la mecánica cuántica para obtener más información a partir de las formas y dimensiones de los espectros. Cualquiera puede examinar un espectro, pero se necesita de un ojo experto para ver que hay ahí y de una mente entrenada para interpretar los resultados.

Hoy en día existe un gran número de técnicas de espectroscopia para estudiar las moléculas con diversos niveles de detalle. Sin embargo, tres técnicas se han hecho rutina. Raramente una sola técnica de espectroscopia revela todo lo que se busca, sino que es más bien la combinación de varias técnicas lo que permite resolver los problemas.

La radiación visible y ultravioleta puede afectar directamente a los electrones de las moléculas. Su absorción altera las nubes electrónicas de los enlaces químicos lo que afecta el espectro generado. Los patrones de las nubes de electrones varían ampliamente entre un tipo de molécula y otro, dependiendo de los átomos presentes en la molécula, la forma en que se distribuyen y su estructura, así como de la naturaleza de los enlaces que unen a los átomos entre sí.

La espectroscopia visible y ultravioleta es la más utilizada en las investigaciones de moléculas con enlaces ricos en electrones, ya que éstos son afectados mas fácilmente por dichas radiaciones. Por ejemplo, el espectro ultravioleta de los alcenos (moléculas de hidrocarburo que contienen un doble enlace entre carbones C=C, rico en electrones), es bastante diferente del de los aldehídos y quetonas (moléculas que tienen un grupo carbonilo, C=O, rico en electrones.) El espectro de los alcenos exhibe una banda de absorción característica que asemeja a una gran joroba y cuya cima se alcanza cuando la molécula absorbe radiación de 180 nanómetros (milésimas de micrones). Esto se debe a que se excita un electrón del doble enlace C=C, a un nivel de energía más alto. Los aldehídos y quetonas exhiben una banda de absorción característica en las longitudes de onda alrededor de los 280 nanómetros. Esta se debe a que se excita un electrón del átomo de oxígeno (que no esta involucrado directamente en el enlace) a un nivel de energía más alto.

Las posiciones de los picos en estas bandas así como en los de otras que son características de los diversos grupos químicos que se presentan en las moléculas orgánicas, pueden depender de los grupos químicos vecinos que haya en la molécula, tales como átomos de cloro o grupos metilo (CH₃). Sin embargo, a pesar de estos efectos, la absorción de los grupos ricos en electrones tales como C=C y C=O ocurre usualmente en un rango estrecho de longitudes de onda. Debido a que estos grupos proveen a las moléculas de espectros de absorción característicos y de fotoquímicas distintivas, ellos se conocen coma cromóforos (del Griego, que significa "portador del color").

La cantidad de energía que se absorbe en cada longitud de onda está relacionada con la cantidad de sustancia absorbente presente en la muestra. La espectroscopia visible y ultravioleta es, por lo tanto, un medio útil para medir las concentraciones de moléculas en soluciones.


Buenas ondas. Espectroscopia infrarroja.

La luz visible y ultravioleta afecta las nubes de electrones. Cuando las moléculas absorben radiación infrarroja vibran y rotan. Los patrones de líneas en un espectro de absorción infrarrojo son más fáciles de interpretar en las moléculas diatómicas, como las del ácido clorhídrico (HCI), con dos átomos, que los de las moléculas poliatómicas, como las de agua, con tres o más átomos. El espectro infrarrojo del HCI, por ejemplo, muestra un patrón de niveles con un centro marcado y con líneas que se extienden hacia las longitudes de onda más altas y más bajas (ver Figura 4).

Cada línea representa la transición entre dos combinaciones de niveles de energías de vibración y rotación. El espaciamiento entre las líneas del espectro refleja los llamados momentos de inercia de la molécula (resistencia a la aceleración rotacional). Estos, a su vez, dependen del largo del enlace H-CI. Cada línea del espectro del HCI aparece desdoblada en dos. Esto se debe que el cloro tiene dos isótopos naturales, CI-35 y CI-37, con una abundancia relativa de 3:1. El isótopo CI-37 tiene en su núcleo dos neutrones adicionales por lo que es un poco mas pesado que el CI-35. Debido a esto el HCI-37 tiene un momento de inercia mayor. Así, se requiere más energía en la molécula HCI-37 que en La HCI-35 para cambiar sus movimientos de vibración y rotación.

Los espectros infrarrojos de la mayoría de las moléculas poliatómicas no son tan simples como los del HCI, pero proveen información similar sobre las longitudes de los enlaces químicos y los ángulos entre ellos. Sin embargo, la espectroscopia infrarroja es usada con mayor frecuencia como un medio para identificar sustancias químicas y analizar sus composiciones debido a que la absorción de determinadas longitudes de onda le indican al espectroscopista qué grupos químicos están presentes en la molécula y, a veces, como están enlazados. Aunque los patrones de los movimientos de vibración de moléculas poliatómicas grandes son complejos, grupos químicos específicos producen bandas características en un espectro infrarrojo. Estos son conocidos como grupos vibracionales y reflejan generalmente las vibraciones extensoras de enlaces individuales como por ejemplo, los C=C, C=O, C-H y C-CI, entre otros. Asi, los espectros infrarrojos de los alcenos exhiben las bandas características de las vibraciones extensoras de la unión C=C. Los aldehídos y las quetonas tienen vibraciones extensoras C=O. Al igual que en las espectroscopias visible y ultravioleta, la capacidad de identificar la presencia de grupos químicos significa que la espectroscopia en el infrarrojo constituye una herramienta poderosa de análisis químico. Del mismo modo que muestra que hay ahí, ésta ayuda a descartar lo que no se encuentra. Para un espectroscopista que esta trabajando con un compuesto orgánico misterioso, esto reduce apreciablemente la lista de estructuras posibles.


Atracción magnética, resonancia nuclear

En tanto que las espectroscopias visible y ultravioleta revelan las claves de las estructuras de las moléculas ricas en electrones y la espectroscopia infrarroja muestra qué grupos químicos se encuentran a no, la espectroscopia por resonancia magnética nuclear (RMN) indica la forma en que los átomos o grupos de ellos se unen entre sí.

Este tipo de espectroscopía esta basada en el hecho que algunos núcleos atómicos se comportan como diminutos imanes, cada uno con sus polos "norte" y "sur". Cuando éstos imanes se colocan en un campo magnético, algunos niveles de energía magnética que antes tenían el mismo valor se desdoblan, permitiendo que ocurran transiciones entre ellos. Estos niveles corresponden a diferentes alineamientos de los imanes nucleares. Se puede hacer que los núcleos salten entre diferentes alineamientos mediante la absorción de radiación en longitudes de onda especificas en la región de las ondas de radio.

Las frecuencias exactas en las que ocurren las transiciones por "resonancia magnética" dependen, como antes, del ancho del intervalo de energía entre los niveles involucrados (recordar que DE = hn). Este a su vez, depende de cuan apantallado esta el núcleo de los campos magnéticas externos por los grupos químicos vecinos y de ahí que del ambiente químico exacto en que se encuentra el núcleo. Aunque estas niveles son de núcleos confinados en el interior de los átomos también son afectados, aunque ligeramente, por Ia estructura y los enlaces de la molécula como un todo+.

La forma más común de espectroscopia RMN está basada en los núcleos de hidrógeno, H¹ (un solo protón), aunque otros núcleos magnéticos como C-13 y F-19 también son usados ya que pueden oscilar en los campos magnéticos. La intensidad con que un núcleo de H¹ es apantallado por los átomos vecinos determina su posición en un espectro RMN-H¹. Así, los núcleos H¹ enlazados a diferentes grupos químicos (-CH₃,-CO₂H, etc.) requieren de energías distintas para que sus imanes nucleares brinquen cuando son sometidos a baños de radiaciones de ondas de radio de frecuencias fijas. Los picos correspondientes aparecen en posiciones diferentes en los espectros RMN. Mas aún, las débiles interacciones con otros núcleos magnéticos presentes en la molécula pueden dar lugar a desdoblamientos complejos de los picos del espectro. Los espectroscopistas experimentados pueden determinar a partir de los patrones de desdoblamiento, las estructuras de las moléculas.

Muchos espectrómetros RMN modernos trabajan de una manera diferente, aunque los principios básicos son los mismos. Así, en lugar de usar ondas de radio de una frecuencia fija y barrer con el campo magnético, estos espectrómetros disparan a la muestra un pulso de ondas de radio de alta potencia. Tras ello, los núcleos retornan a los valores de la población de equilibrio emitiendo radiación que se puede detectar durante un tiempo. La señal oscilatoria resultante es compleja y contiene toda la información del espectro RMN, y se puede descifrar a través de una transformación matemática estándar con un computador.


Moléculas iluminando, espectroscopia de emisión.

Hasta aquí se han descrito exclusivamente las técnicas que involucran absorción de radiación, mirando siempre hacia arriba de la ladera de la energía. A veces la emisión de radiación de las moléculas o sea, cuando se va cuesta abajo de la ladera, es también muy reveladora. Cuando una molécula se encuentra en un estado excitado, la energía en exceso se puede liberar de una o varias maneras, frecuentemente mediante la emisión de radiación. Las leyes de la mecánica cuántica también se aplican en estos procesos. Dispersando La radiación emitida se generan los espectros de emisión, que añaden más detalles a los mapas de niveles de energía de las moléculas.

En principio, es posible realizar espectroscopia de emisión en ci mismo rango del espectro electromagnético que en el de absorción. En la práctica, sin embargo, éste se encuentra limitado a la emisión de radiación visible y ultravioleta. Por razones que están fuera del propósito de este articulo, los espectros de emisión de las moléculas solo se miden en las regiones visible y ultravioleta. Si bien los niveles involucrados en la emisión son similares a los de la absorción, los estados finales en las transiciones de absorción no son siempre los de partida en las de emisión. Si bien ambas formas de espectroscopía se complementan, a menudo se encuentra información clave en los espectros de emisión que no esta disponible en los de absorción.

Las formas en que los científicos emplean la espectroscopía en las fronteras de la química y la física actual, se diferencian sólo en la sofisticación que se obtiene en las técnicas después de décadas de investigación. A través de métodos complejos para enfriar las moléculas hasta temperaturas muy bajas, los espectroscopistas pueden dejar a las moléculas en los niveles de energías más bajos, simplificando notablemente los espectros que de otro modo serían muy complicados. Combinando estas técnicas con láser capaces de producir radiación de longitudes de onda muy bien definidas, o con breves pulsos de luz que duran millonésimas a billonésimas de segundos, se obtienen espectros de gran precisión. Los químicos están usando estas técnicas para estudiar diferentes variedades de moléculas reactivas inestables y para verificar los procesos mismos de las reacciones químicas.