SPETTROSCOPIA
Dispense di Chimica Fisica per Biotecnologie Dr.ssa Rosa Terracciano
SPETTROSCOPIA
I PARTE
• Cenni generali di spettroscopia:
• La radiazione elettromagnetica e i parametri che la caratterizzano
• Le regioni dello spettro elettromagnetico
• Interazioni tra energia radiante e materia
• Spettroscopia di assorbimento
• Spettroscopia di emissione
• Spettroscopia UV-Visibile
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LL A
A SS PP EE TT TT R
RO
O SS C
CO
O PP II A
A
¾Il nome spettroscopia deriva dal latino spectrum che vuol dire
immagine...
¾Questa disciplina racchiude in sé l’insieme delle tecniche, dette
appunto spettroscopiche attraverso le quali è possibile risalire ad
alcune proprietà dei corpi o delle molecole.
¾La spettroscopia ci da’ informazioni sulle proprietà strutturali
dei corpi, studiando l’interazione della materia con l’energia
elettromagnetica.
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LL A
A SS PP EE TT TT R
RO
O SS C
CO
O PP II A
A
LA RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA
¾Dalla fisica sappiamo che una carica elettrica in movimento
produce una radiazione eletromagnetica.
¾Dalla meccanica quantistica essa ha una doppia e contraddittoria
natura: corpuscolo e onda.
¾La luce, le microonde, i raggi X, etc…sono diversi tipi di radiazioni
elettromagnetiche.
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LA RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA
E
B
λ
Un onda è caratterizzata dai seguenti parametri:
frequenza ν
rappresenta il numero di oscillazioni descritte nell’unità di
tempo, si misura in herz;
lunghezza d’onda λ che è data dalla distanza tra due successivi massimi o minimi
e si misura in genere in m, mm, micron, nanometri.
che rappresentano rispettivamente il campo elettrico e il campo
i vettori E e B
magnetico associati all’onda.
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LA RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA
L’ energia di un quanto è data dalla relazione:
E=hν
da cui si evince che l’energia è direttamente proporzionale
alla sua frequenza;
h è la costante di Planck, 6.625x10-27 erg sec
E=
hc
λ
c è la velocità della luce
Quanto è maggiore la lunghezza d’onda di una radiazione, tanto
minore è l’energia ad essa associata.
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LA RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA
La luce è quella parte dello spettro elettromagnetico a cui è
sensibile l’occhio umano, caratterizzato da lunghezze d’onda
che vanno da 400 nm a 700 nm.
Le lunghezze d’onda della luce visibile sono in relazione con i colori
che noi percepiamo.
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Le regioni dello spettro elettromagnetico
Lo spettro della luce visibile
I sette colori dell'arcobaleno: Rosso, Arancio, Giallo, Verde, Blu, Indaco, Viola
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Lo spettro elettromagnetico
Lo spettro elettromagnetico di una radiazione è la distribuzione in energia (o in lunghezza d'onda o in
frequenza) dell'intensità di quella radiazione elettromagnetica.
Le regioni dello spettro elettromagnetico
Regione dello
spettro
Lunghezza
d’onda (Å)
Lunghezza
d’onda (cm)
Frequenza
(Hz)
Energia
(eV)
Radio
>109
>10
<3x109
<10-5
Microonde
109-106
10-0.01
3x109 - 3x1012
10-5 - 0.01
Infrarosso
106-7000
0.01-7x10-5
3x1012- 4x1014
0.01 -2
Visibile
7000-4000
7x10-5 - 4x10-5
4x1014-7.5x1014
2 -3
Ultravioletto
4000-10
4x10-5 - 10-7
7.5x1014-3x1017
3- 103
Raggi X
10-0.1
10-7 - 10-9
3x1017 - 3x1019
103 - 105
Raggi gamma
<0.1
<10-9
> 3x1019
> 105
L'unità di misura "eV" si legge elettron-volt ed è tipicamente usata per misurare le energie implicate nella fisica
atomica. La definizione di eV è la seguente:
1 eV è l'energia acquistata da un elettrone che percorre una distanza di 1 metro in un campo elettrico generato da
una differenza di potenziale di 1 volt.
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LA SPETTROSCOPIA
INTERAZIONI TRA ENERGIA RADIANTE E MATERIA
Quando una radiazione elettromagnetica atraversa la materia vi è
sempre una interazione: la radiazione trasmessa può essere
meno intensa di quella incidente (assorbimento),
può vibrare su di un piano diverso (polarizzazione)
può assumere diverse direzioni di propagazione (riflessione, rifrazione)
può viaggiare con velocità minore.
Tutto ciò dipende dal fatto che LA MATERIA E’
COSTITUITA DA CARICHE IN MOVIMENTO che
risentono delle perturbazioni di un campo elettromagnetico.
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INTERAZIONI TRA ENERGIA RADIANTE E MATERIA
Per la determinazione della struttura di atomi e di molecole si
usano apparecchiature che sfruttano quasi tutte le radiazioni dello
spettro elettromagnetico.
Il passaggio di un atomo o molecola da uno stato energetico
ad un altro è definito TRANSIZIONE.
L’energia interna di una molecola è la somma di diversi contributi:
E= Etras+ Erot+ Evib+Ee+ En
dove ogni singolo contributo energetico è quantizzato e corrisponde a
valori di energia paragonabili alle energie delle differenti zone dello
spettro elettromagnetico.
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INTERAZIONI TRA ENERGIA RADIANTE E MATERIA
TRANSIZIONI TRASLAZIONALI
per avere transizioni di questo tipo la materia dovrà interagire con le
microonde.
TRANSIZIONI VIBRAZIONALI E ROTAZIONALI
corrispondono a interazioni di radiazioni IR con la materia.
TRANSIZIONI ELETTRONICHE
eccitazione degli elettroni di valenza (Visibile e UV) ed elettroni di
gusci più interni (RX).
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INTERAZIONI TRA ENERGIA RADIANTE E MATERIA
Le molecole, gli atomi, gli elettroni, tendono a disporsi nello stato
fondamentale;
Quando ricevono energia, possono fare un salto quantico sui livelli
energetici superiori se l’energia ricevuta corrisponde alla differenza
fra stato fondamentale e stati eccitati.
L’energia somministrata può essere: ELETTRICA
TERMICA
ELETTROMAGN ETICA
Una volta eccitati le molecole, gli atomi o gli elettroni ritornano
Allo stato fondamentale sottoforma di RADIAZIONE o CALORE
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SPETTROSCOPIA DI EMISSIONE
Se la frequenza della radiazione emessa corrisponde alla differenza
di energia tra lo stato eccitato e lo stato fondamentale si parla di
SPETTROSCOPIA DI EMISSIONE
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SPETTROSCOPIA DI EMISSIONE
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SPETTROSCOPIA DI ASSORBIMENTO
Se un sistema viene eccitato con energia elettromagnetica di
una certa frequenza ν e viene poi ceduta sottoforma di energia
termica si ha la SPETTROSCOPIA DI ASSORBIMENTO
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SPETTROSCOPIA D’ASSORBIMENTO
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SPETTROSCOPIA RAMAN
Questa tecnica si basa sull’Effetto Raman: in questo caso
si verifica che l’energia elettromagnetica assorbita è rilassata
interamente in forma di radiazione con frequenza diversa.
SPETTROSCOPIA NMR
Si basa sullo studio delle perturbazioni dei livelli energetici nucleari
ottenuti con forti campi magnetici.
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SPETTROSCOPIA UV-VISIBILE
¾Quando un composto contenente un gruppo insaturo è attraversato
da una radiazione elettromagnetica della regione del visibile o UV,
esso assorbe una certa quantità di energia.
¾L’energia assorbita è impegnata dalle molecole per promuovere gli
elettroni da orbitali ad energie più basse su orbitali a più alta energia.
¾Per misurare la quantità di luce assorbita a ciascuna lunghezza d’onda
si usano gli SPETTROFOTOMETRI nel visibile e nell’ultravioletto.
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SPETTROSCOPIA UV-VISIBILE
Nello SPETTROFOTOMETRO un raggio di luce attraversa una cella
trasparente contenente il campione da analizzare;
un altro raggio di riferimento attraversa una cella identica alla precedente
che non contiene il composto.
Lo strumento riesce a confrontare continuamente l’intensità dei
due raggi a ciascuna lunghezza d’onda.
Se il composto assorbe la radiazione di una certa lunghezza d’onda ,
l’intensità del raggio campione IS è minore di quella del raggio
di riferimento IR.
Lo strumento registra questa differenza a tutte le lunghezze d’onda
e disegna un grafico che si chiama Spettro di Assorbimento.
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Schema di un semplice spettrofotometro
Monocromatore
Raggio di
riferimento
Registratore
IR
IS
Tubo campione
Sorgente di
radiazioni
elettromagnetiche
Fotometro
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Altro schema a blocchi di uno spettrofotometro
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SPETTROSCOPIA UV-VISIBILE
Lo spettro di assorbimento è un diagramma in cui sono riportati
sulle ordinate i valori di assorbanza (A) =log(IR/IS) e in ascisse
le lunghezze d’onda di tutto l’intervallo esaminato.
Legge di Lambert Beer
A= ε l C
ε = coefficiente di estinzione molare (M-1cm-1),
l = lunghezza della cella (cm)
C = concentrazione molare (M)
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Spettro UV del ciclopentanone in etanolo
1,0
O
A
0,5
0,0
350
300
250
Lunghezza d’onda (nm)
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