INTRODUZIONE AI METODI SPETTROCHIMICI
Storicamente, il termine spettroscopia era riferito ad una branca
della scienza in cui la luce (cioè la radiazione visibile) era risolta nelle
sue lunghezze d’onda componenti per dare gli spettri.
Più recentemente il significato di spettroscopia è stato ampliato per
includere gli studi non solo con la radiazione visibile, ma anche con
altri tipi di radiazione elettromagnetica, quali raggi X, ultravioletto,
infrarosso, microonde, ecc.
In realtà l’uso corrente estende il significato di spettroscopia ancora
oltre per includere tecniche che neanche coinvolgono la radiazione
elettromagnetica
e
ett o ag et ca (spett
(spettroscopia
oscop a acust
acustica,
ca, spett
spettroscopia
oscop a e
elettronica,
ett o ca,
ecc.)
La radiazione elettromagnetica è un tipo di energia le cui proprietà
à
sono convenientemente descritte trattando le radiazioni come onde
sinusoidali con parametri d’onda come lunghezza d’onda, frequenza,
velocità
l ità e ampiezza.
i
Il modello ondulatorio fallisce nel rendere conto di fenomeni associati
con l’assorbimento e l’emissione di energia radiante. Per capire questi
processi è necessario invocare un modello basato sulle particelle, in
cui cioè,
cui,
cioè la radiazione elettromagnetica è trattata come un flusso di
particelle discrete o pacchetti d’onda di energia chiamati fotoni con
l’energia di un fotone che è proporzionale alla frequenza della
radiazione Questa visione duale della radiazione,
radiazione.
radiazione come particelle da
un lato, e come onde dall’altro, non è mutuamente esclusiva, ma
piuttosto risulta spesso complementare. In realtà questo dualismo si
applica al comportamento di correnti di elettroni come di altre
particelle elementari quali i protoni ed è completamente
razionalizzato dalla meccanica ondulatoria.
Rappresentazione di un raggio di radiazione monocromatica polarizzata
nell piano
i
Ampiezza A: lunghezza del vettore elettrico in corrispondenza di un
massimo nell’onda.
Frequenza ν: numero di oscillazione dell’onda al secondo (unità di
misura hertz)
Lunghezza d’onda λ: distanza lineare tra due punti equivalenti
LO SPETTRO ELETTROMAGNETICO
ASSORBIMENTO DI RADIAZIONE
Nella nomenclatura spettroscopica, l’assorbimento è un processo in
cui una specie chimica in un mezzo trasparente attenua
selettivamente (diminuisce l’intensità di) certe frequenze della
radiazione elettromagnetica. Secondo la teoria quantistica ogni
particella
ti ll elementare
l
t
( t
(atomo,
i
ione
o molecola)
l
l ) possiede
i d solo
l un
numero limitato di livelli energetici discreti, il più basso dei quali è
lo stato fondamentale; a temperatura ambiente, la maggior parte
d ll molecole
delle
l
l esiste nello
ll stato fondamentale.
f d
l
Perché si abbia assorbimento della radiazione, l’energia del fotone
g
alla differenza di energia
g
eccitante deve essere esattamente uguale
fra lo stato fondamentale e uno degli stati eccitati della specie
assorbente. Lo studio delle frequenze della radiazione assorbita
permette di caratterizzare le specie che costituiscono un campione
di materia.
M + hν
M*
SPETTROSCOPIA MOLECOLARE DI
ASSORBIMENTO NEL VISIBILE E
ULTRAVIOLETTO
UV lontano
10-200 nm
UV vicino
200-400 nm
Visibile
400-750 nm
Transizione degli elettroni
di valenza
La spettrofotometria di assorbimento da soluzioni opera a pressione
ambiente e il loro campo d’indagine è solitamente compreso tra 190
e 900 nm
ASSORBIMENTO MOLECOLARE
Gli spettri
p
molecolari sono di norma caratterizzati da assorbimenti
che spesso avvengono in un ampio intervallo di lunghezze d’onda.
L’assorbimento comporta anche transizioni elettroniche a ciascuna
delle quali saranno associate parecchie linee di assorbimento
ravvicinate fra di loro, a causa dell’esistenza di numerosi livelli
vibrazionali. Inoltre, a ciascuno stato vibrazionale saranno associati
molti livelli energetici rotazionali; come conseguenza di ciò, lo
spettro di una molecola consiste in genere di una serie di linee di
assorbimento molto ravvicinate, che dà luogo ad una banda di
assorbimento. A meno di usare uno strumento ad alta risoluzione, i
singoli
i
li picchi
i hi potrebbero
t bb
non venire
i risolti;
i lti lo
l spettro
tt risulterà
i lt à allora
ll
costituito da picchi larghi.
L’assorbimento tra 190 e 900 nm produce l’eccitazione elettronica
e vibrazionale di molecole e ioni. Gli elettroni eccitati
appartengono ad orbitali π
π* o n
π*
I gruppi capaci di dare assorbimento di radiazioni nell
nell’UV
UV e visibile
vengono detti CROMOFORI
LEGGE DI LAMBERT
LAMBERT--BEER
La spettrofotometria di assorbimento in soluzione nell’UV e visibile in
chimica analitica viene impiegata prevalentemente per determinazioni
quantitative con l’uso della LEGGE DI LAMBERT-BEER
L’entità dell’assorbimento dipende dalla lunghezza del cammino
ottico che la radiazione percorre attraverso il campione.
campione Se il
campione è allo stato vapore o è in soluzione interviene anche la
concentrazione. Siccome la determinazione di questa variabile è uno
degli obiettivi della chimica analitica, è opportuno stabilire quale
relazione correla la lunghezza del cammino ottico della fase
contenente l’analita, e la sua concentrazione con l’entità
dell’assorbimento a una lunghezza
g
d’onda definita.
Consideriamo una certa quantità di materia in forma di
parallelepipedo. Un raggio monocromatico con lunghezza d’onda λ
di intensità P0 incide perpendicolarmente ad una faccia del
parallelepipedo.
Attraversando uno spessore dl si
dell’intensità
dell
intensità dP/P dell’intensità
dell intensità del
spessore b si ha:
ha diminuzione relativa
raggio Integrando sullo
raggio.
b
dP
'
P0 P 0 dl
P
P
ln ' b
P0
P0
1
log b log A
P
T
LEGGE DI LAMBERT
T
A
P
P0
Trasmittanza
Assorbanza
' / 2,303
Coefficiente che misura l’attitudine
del materiale che costituisce il
parallelepipedo ad assorbire la
radiazione considerata
Consideriamo una soluzione di un soluto che assorbe, sciolto in un
solvente che non assorbe il raggio.
raggio
Indichiamo con V=Sb il volume di soluzione, con n il numero di
molecole del soluto e con βλ una certa attitudine delle molecole di
soluto ad assorbire la radiazione. (Sezione di cattura della radiazione)
n
V
'
La concentrazione molare p
può essere espressa
p
da:
n 1000
c
V NA
Sost tue do
Sostituendo:
NA
c
1000
'
NA
c
1000
P
ln ' b
P0
'
P0
NA
ln
bc
P
1000
P0
NA
log
bc
P
2,303 1000
Ponendo:
Si ottiene:
NA
2,303 1000
A b c
LEGGE DI
LAMBERT-BEER
LAMBERT
BEER
viene detto assorbività molare e rappresenta ll’assorbanza
assorbanza di un
materiale di spessore unitario (in cm) in cui la concentrazione
delle specie assorbenti sia di 1 mole su litro.
La rappresentazione di A in funzione di c (con b costante) è
ovviamente una retta la cui origine coincide con ll’origine
origine degli assi
L’espressione di Lambert-Beer descrive il comportamento idealizzato
di un soluto, assumendo nulle sia le interazioni soluto-solvente che
soluto soluto.
soluto-soluto
DEVIAZIONI DELLA LEGGE DI LAMBERTLAMBERT-BEER
La legge di Lambert-Beer afferma che ci dovrebbe essere linearità
tra concentrazione e assorbanza.
In alcuni casi si osservano delle deviazioni dalla proporzionalità
diretta tra queste due variabili.
Queste deviazioni possono risultare in una incurvatura verso ll’alto
alto
(deviazione positiva) o verso il basso (deviazione negativa).
Le deviazioni possono essere dovute a:
- Fattori strumentali
- Fattori chimici
FATTORI STRUMENTALI
Radiazione policromatica
Ampiezza della fenditura
RADIAZIONE POLICROMATICA
Perché un sistema segua
g
strettamente la legge
gg di Lambert-Beer
è necessario che la radiazione sia monocromatica.
Consideriamo l’effetto della radiazione policromatica sulla
relazione tra concentrazione e assorbanza (due lunghezze
d’onda λ e λ’).
P λ:
Per
Per λ’::
l ( P0 / P ) A bc
log(
b
oppure
P0 / P 10bc
P0' / P ' 10 'bc
La p
potenza delle due lunghezze
g
d’onda che p
passano attraverso il
solvente è data da P0+P0’, mentre quella che passa attraverso la
soluzione contenenti gli analiti è data P+P’. Quindi:
P0 P
A log
PP
'
0
'
Sostituendo:
P0 P0'
A log
P010 bc P0'10 'bc
E’ sperimentalmente osservato che le deviazioni dalla legge di
L
Lambert-Beer
b
B
risultanti
i l
i dall’uso
d ll’
di un fascio
f
i policromatico
li
i
non sono
apprezzabili, a meno che la radiazione utilizzata non appartenga ad
una regione spettrale in cui il campione esibisce marcati
cambiamenti
bi
ti nell’assorbimento
ll’
bi
t in
i funzione
f
i
d ll lunghezza
della
l
h
d’ d
d’onda.
Concentrazione
La banda A mostra una piccola deviazione poiché ε non cambia
molto all’interno della banda. La banda B mostra deviazioni
marcate perché ε subisce cambiamenti significativi in questa
regione.
AMPIEZZA DELLA FENDITURA
Le fenditure di un monocromatore svolgono un ruolo importante nel
determinare le sue prestazioni e la sua qualità.
Ampiezza spettrale della fenditura: allargamento dell’immagine
sulla scala della lunghezza d’onda ed è proporzionale all’ampiezza
reale della fenditura.
Tuttavia, se ll’apertura
Tuttavia
apertura delle fenditure è troppo stretta ci può essere
una diminuzione eccessiva dell’intensità radiante e quindi è buona
regola non ridurre la fenditura più di quanto necessario per la
risoluzione dello spettro che si sta eseguendo.
eseguendo
FATTORI CHIMICI
Gli effetti chimici possono essere dovuti a dissociazione,
associazione, formazione di complessi, polimerizzazione
ES: gli acidi benzoici esistono come miscela della forma ionizzata
e non ionizzata,, e in soluzioni acquose
q
diluite si dissociano:
C6H5COOH + H2O
(λmax = 273 nm, ε = 970)
C6H5COO- + H3O+
(λmax = 268 nm, ε = 560)
L’assorbività molare effettiva a 273 nm diminuirà,
perciò, all’aumentare della diluizione o per alti valori di
pH.
A volte, l’assorbanza è misurata ad un PUNTO ISOSBESTICO e cioè a
una lunghezza d’onda alla quale le due specie assorbenti in equilibrio
abbiano
bbi
llo stesso
t
valore
l
di ε; in
i questo
t caso la
l legge
l
di Lambert-Beer
L
b t B
è valida anche se si verifica uno spostamento dell’equilibrio.
Solvente
Variando il solvente la λ a cui si ha l’assorbimento massimo può
spostarsi verso valori maggiori (spostamento BATOCROMICO) o
viceversa verso valori minori ((spostamento
p
IPSOCROMICO))
Lo spostamento ipsocromico si evidenzia nei solventi che formano
con il soluto legami idrogeno. In tali solventi lo stato eccitato ha
energia più alta che nei solventi apolari.
SCELTA DELLE CONDIZIONI SPERIMENTALI
In teoria, l’assorbanza può variare tra 0, per una soluzione
perfettamente trasparente, a ∞, per una soluzione perfettamente
opaca.
Tuttavia, per ottenere risultati accurati
l’assorbanza sia compresa tra 0,1 e 1.
è
importante
che
A log T bc
1
c
ln T
b 2,303
1
dT
d
dc
b 2,303 T
ERRORE RELATIVO
dc
1
b 2,303 dT
c
b 2,303 ln T T
dc
dT
c T ln
l T
d
dc
d
c 1 ln T 0
2
dT
T ln
l T
ln T 1
T e 1 0,368 (36,8%)
A 0,4343
Errore relativo in funzione dell’assorbanza e della trasmittanza
STRUMENTAZIONE
La strumentazione classica usata nel visibile e nell’UV è costituita
fondamentalmente da:
SORGENTE
MONOCROMATORE
RIVELATORE
Per raccogliere informazioni sulle caratteristiche della materia che
interagisce
g
con le radiazioni occorre scomporre
p
le radiazioni stesse
nelle loro componenti, cioè nelle singole radiazioni monocromatiche
di cui sono costituite.
SORGENTE
Nelle spettroscopie di assorbimento la sorgente emette uno spettro
continuo Per ottenere uno spettro continuo da 160 a 390 nm (UV) le
continuo.
sorgenti più usate sono lampade contenenti deuterio. Esse sono
costituite da un filamento di tungsteno che emette elettroni verso un
anodo metallico.
metallico Le molecole di deuterio vengono dissociate ed
emettono nella regione indicata.
Nel visibile, le lampade a spettro continuo più comuni sono quelle a
fl
filamento
d tungsteno (portato
di
(
a circa 3000 K)) in bulbi
b lb di
d vetro.
Ultimamente
Ulti
t sii stanno
t
utilizzando
tili
d anche
h sorgenti
ti laser.
l
Q
Questi
ti tipi
ti i di
sorgenti permettono di avere radiazioni di grande potenza nei quali
l’intervallo Δλ della lunghezza d’onda può essere inferiore a 0,01 nm
e quindi
i di radiazioni
di i i da
d considerare
id
praticamente
ti
t monocromatiche.
ti h
MONOCROMATORE
E’ il sistema che provvede a disperdere la radiazione e isolarne
una stretta banda passante centrata intorno alla lunghezza
d’onda λi
Un monocromatore p
può essere costituito da:
prismi
reticoli di diffrazione
filtri
Prismi
Un prisma scompone una radiazione in virtù delle rifrazioni che
il fascio subisce all’ingresso ed all’uscita.
La dispersione di un prisma è espressa da
d
d
θ è ll’angolo
angolo tra la direzione del raggio incidente e quella del
raggio uscente
I prismi utilizzati nei monocromatori sono di forma assai diversa.
Il prisma di Littrow presenta una faccia ricoperta da uno strato
gg entrano nel p
prisma,, vengono
g
riflessi
metallico riflettente. I raggi
ed escono dalla stessa faccia d’entrata.
Reticoli di diffrazione
Possono operare in trasparenza o in riflessione.
n d (sen i sen )
Si tratta di una lamina nella quale è stata incisa una serie di
solchi paralleli ed equidistanti.
RIVELATORI
Nella regione dell’UV e del visibile si usano essenzialmente:
Tubi fotomoltiplicatori
Celle fotovoltaiche
TUBI FOTOMOLTIPLICATORI
Si tratta di fotocelle a vuoto, costituite da un catodo ed un anodo
tra i quali sono posti vari dinodi
La superficie
p
del catodo è
rivestita da uno strato di
materiale fotoemittitore (cioè
emette elettroni per esposizione
ad una opportuna radiazione).
Tra il catodo e il primo dinodo si
applica una d.d.p. di 80-90 V e
di conseguenza gli elettroni
sono accelerati verso il dinodo.
Ad ogni dinodo successivo si
i
impone
un potenziale
t
i l di circa
i
80-90 V più positivo di quello applicato al precedente. Ripetendo questo
processo per nove volte, si ottengono da 106 a 107 elettroni per ogni
fotone; questa cascata viene infine raccolta all’anodo.
all’anodo
SPETTROFOTOMETRI
Singolo raggio
Doppio raggio
SINGOLO RAGGIO
Sono in generale più semplici e hanno i vantaggi intriseci di una energia passante
maggiore e di rapporti segnale/rumore maggiori. D
D’altra
altra parte, però, i valori di P0
(con il bianco) e P si ottengono in tempi diversi e, dato che la potenza della
radiazione non si mantiene perfettamente costante nel tempo, le eventuali
variazioni potrebbero influenzare l’assorbanza misurata.
DOPPIO RAGGIO
So o p
Sono
più
ù costos
costosi d
di que
quelli a s
singolo
go o raggio.
agg o Co
Con questo sc
schema
e a cost
costruttivo
utt o la
a
misura di P0 e P non è simultanea, ma ha luogo in tempi assai prossimi, e
così l’assorbanza è influenzata solo da fluttuazioni rapide della sorgente. La
misura è assai più rapida che con uno strumento a singolo raggio.
Quando il raggio incidente colpisce la cuvetta nella quale è contenuta
la soluzione si osservano riflessioni alle due interfasi aria/parete
come anche alle due interfasi parete/soluzione. L’attenuazione del
fascio risultante è sostanziale. Inoltre, l’attenuazione del fascio può
essere dovuta a fenomeni di dispersione nella soluzione.
soluzione Per
compensare questi effetti, la potenza del raggio trasmesso attraverso
la celletta è usualmente comparata con la potenza di un fascio
trasmesso da una celletta identica contenente soltanto il solvente.
Psolvente
A log
l
Psoluzione
