Tabella delle frequenze IR: come identificare i gruppi funzionali

«A che numero d’onda assorbe il carbonile?» «Quella banda larga a 3300 è un O-H o un N-H?» Chi legge spettri infrarossi si pone queste domande ogni giorno, e la risposta sta in una mappa mentale delle frequenze caratteristiche dei gruppi funzionali. Questa guida è quella mappa: una tabella ragionata di dove assorbono i principali legami, e il motivo fisico che ne fissa la posizione.

Vediamo perché ogni legame assorbe a una frequenza precisa, qual è la tabella delle bande caratteristiche e come si divide uno spettro IR in zone diagnostiche.

Perché ogni legame ha la sua frequenza

Un legame chimico si comporta come una molla che collega due masse: vibra a una frequenza che dipende dalla rigidità del legame e dalle masse degli atomi. La radiazione infrarossa viene assorbita quando la sua frequenza coincide con quella di vibrazione del legame. La relazione, derivata dal modello dell’oscillatore armonico, è la legge di Hooke applicata alle molecole:

ν̃ = 12πc √(kμ)

dove ν̃ è il numero d’onda (in cm⁻¹), k la costante di forza del legame (la sua «rigidità») e μ la massa ridotta dei due atomi. Da questa formula discendono due regole d’oro: i legami più forti (tripli > doppi > singoli) assorbono a numeri d’onda più alti; i legami con atomi più leggeri (come X–H, dove c’è l’idrogeno) assorbono altissimo. Ecco perché gli stiramenti C–H, O–H, N–H stanno tutti sopra 2800 cm⁻¹ e i tripli legami stanno più in alto dei doppi.

La tabella delle frequenze caratteristiche

Ecco le bande più utili da riconoscere, con il loro intervallo tipico e l’aspetto (intensità e forma) che aiuta a identificarle.

Le quattro zone diagnostiche

Per orientarsi rapidamente, conviene dividere lo spettro in quattro zone. La zona X–H (4000–2500 cm⁻¹) ospita gli stiramenti di O–H, N–H e C–H: è dove si riconoscono alcoli, acidi, ammine. La zona dei tripli legami (2500–2000 cm⁻¹) è quasi sempre vuota, quindi una banda qui è molto diagnostica (nitrili, alchini). La zona dei doppi legami (2000–1500 cm⁻¹) contiene il carbonile C=O e i C=C: è ricca di informazioni. Sotto 1500 cm⁻¹ si apre la regione delle impronte digitali, complessa e caratteristica di ogni singola molecola.

Intensità e forma, non solo posizione

Leggere uno spettro non significa solo guardare dove cade una banda, ma anche com’è fatta. Il carbonile, per esempio, è quasi sempre la banda più intensa dello spettro: difficile non vederlo. L’O–H di un alcol è largo e arrotondato per via dei legami a idrogeno, mentre l’N–H di un’ammina è più stretto e a volte sdoppiato. Una banda intensa e isolata a 2250 cm⁻¹ in una zona altrimenti vuota grida «nitrile». Imparare ad associare posizione, intensità e forma è ciò che distingue chi «vede» uno spettro da chi lo guarda soltanto.

Perché conta nella pratica

La spettroscopia IR è una delle tecniche più rapide ed economiche per identificare i gruppi funzionali di una sostanza e per il controllo qualità di materie prime e prodotti. Saper leggere a colpo d’occhio le bande caratteristiche — riconoscere un carbonile, distinguere un alcol da un’ammina, individuare un nitrile — è una competenza quotidiana in laboratorio: serve a confermare l’identità di un reagente, a verificare che una reazione sia avvenuta, a smascherare un’impurezza o una sostanza diversa da quella dichiarata. Questa tabella è il punto di partenza; gli articoli collegati approfondiscono il carbonile, la regione O–H/N–H e il metodo di interpretazione.

Domande frequenti

A che numero d’onda assorbe il carbonile in IR?

Il carbonile C=O assorbe in genere tra 1650 e 1780 cm⁻¹, con una banda molto intensa. La posizione precisa dipende dalla classe del composto: estere intorno a 1735, chetone a 1715, aldeide a 1725, acido carbossilico a 1710 (largo), ammide intorno a 1650. È quasi sempre la banda più forte dello spettro ed è approfondita nell’articolo dedicato al carbonile.

Come distinguo un O–H da un N–H in IR?

Per posizione, larghezza e forma. L’O–H di alcoli e fenoli dà una banda larga e arrotondata tra 3200 e 3550 cm⁻¹; l’O–H degli acidi carbossilici è larghissimo (2500–3300). L’N–H delle ammine è più stretto e cade a 3300–3500 cm⁻¹, spesso con una o due bande. In sintesi: largo e tondo = O–H; più stretto ed eventualmente sdoppiato = N–H.

Perché i legami X–H assorbono a numeri d’onda così alti?

Per la legge di Hooke: la frequenza di vibrazione è inversamente proporzionale alla radice della massa ridotta. L’idrogeno è l’atomo più leggero, quindi i legami che lo contengono (O–H, N–H, C–H) hanno massa ridotta piccola e vibrano a frequenze altissime, tutte sopra 2800 cm⁻¹, nella parte sinistra dello spettro.

Che cos’è il numero d’onda?

È il reciproco della lunghezza d’onda (1/λ), espresso in cm⁻¹, ed è il modo standard di indicare la posizione delle bande IR. È proporzionale all’energia del fotone: più alto il numero d’onda, più energetica la radiazione. Lo spettro IR si legge da 4000 cm⁻¹ a sinistra fino a 400 cm⁻¹ a destra, al contrario di un normale asse crescente.

Perché la zona tra 2000 e 2500 cm⁻¹ è quasi sempre vuota?

Perché lì assorbono solo i tripli legami (C≡N dei nitrili, C≡C degli alchini), che sono relativamente rari. Per questo una banda in quella zona altrimenti silenziosa è molto diagnostica: se la vedi, è quasi certamente un nitrile o un alchino. L’assenza di bande è informativa quanto la loro presenza.