LA SPETTROSCOPIA
NELL ’ULTRAVIOLETTO
LA TECNICA SPETTROSCOPICA CONSENTE
AI CHIMICI DI CONOSCERE IL MONDO
MICROSCOPICO
Le tecniche spettroscopiche sono
basate sullo scambio di energia
che si verifica fra l’energia
radiante e la materia.
Lo Spettrofotometro misura, sotto
forma di spettro, l’ASSORBANZA
della sostanza in funzione della
lunghezza d’onda.
In particolare, la SPETTROFOTOMETRIA di ASSORBIMENTO è interessata
ai fenomeni di assorbimento delle radiazioni luminose della regione dello
spettro elettromagnetico appartenenti al campo del visibile (350 – 700 nm) e
del vicino ultravioletto (200 – 350 nm).
Viene interessato anche l’UV lontano (10 – 200 nm), anche se in questo
caso si opera sotto vuoto o in atmosfera di gas inerte, perché l’ossigeno
atmosferico copre i segnali delle altre sostanze.
L’assorbimento di questi tipi di radiazioni da parte delle molecole è in
grado di produrre delle transizioni energetiche degli elettroni esterni della
molecole, sia impegnati che non impegnati in un legame.
SPETTROFOTOMETRI
Per quanto riguarda gli spettrofotometri usati nell’ UV
VISIBILE, i più comuni sono il “monoraggio” e il “doppio
raggio”:
lo SPETTROFOTOMETRO monoraggio si usa per l’analisi
quantitativa, ma è più sensibile alla temperatura, alla luce ed
alla stessa misurazione del bianco che deve essere ripetuta
per ogni misurazione;
mentre lo SPETTROFOTOMETRO a doppio raggio è più
complesso e costoso, ma consente una grande precisione e
praticità anche nelle analisi quantitative, poiché registra il
bianco una sola volta e poi continua in automatico.
Uno spettrofotometro è composto da:
1) SORGENTE di radiazione (lampade al Tungsteno o al
deuterio)
2) SELETTORE di lunghezze d’onda o MONOCROMATORE
3) un PORTACUVETTE dove vengono inserite le CELLE
4) dei FORI che selezionano le radiazioni che vanno
colpire la cuvetta in quarzo
5) LETTORE
RIVELATORE, RIELABORAZIONE E
PRESENTAZIONE DEI DATI
E’ un dispositivo capace di produrre un
segnale elettrico che dipende dall'energia
delle radiazioni ricevuta.
Tale segnale elettrico (proporzionale
all'intensità luminosa) viene poi trasferito a
un indicatore Analogico.
Tramite un convertitore analogico digitale
e possibile così ottenere i risultati
dell’analisi direttamente su un personal
computer che ne elabora i dati.
Il segnale proveniente dal rivelatore viene
opportunamente amplificato e un
amperometro ne rileva l’intensità.
Il lettore converte quindi il segnale
elettrico in un valore numerico
proporzionale all’intensità del segnale, e
questo valore va da 0 a 100.
Ponendo pari a 100 il valore del segnale in
assenza del campione, otteniamo la
trasmittanza e da questa l’assorbanza.
SORGENTE
È la parte dell’apparecchio da cui prende origine la radiazione policromatica
(contenenti cioè tutte le lunghezze d'onda del campo richiesto) che viene diretta
sul campione.
Negli strumenti che misurano la luce visibile e l’ultravioletta, sono presenti
due diverse lampade, in modo che la sorgente copra l’intervallo da 190 – 800
nm:
-per la regione del visibile si utilizzano lampade a incandescenza
a filamento di tungsteno, lampade quarzo-iodio o lampade tungstenoalogeno)
-per la regione UV si usano lampade a scarica in un gas (deuterio o
a idrogeno);
sono costituite da un'ampolla di quarzo contenente il gas rarefatto (ma non
troppo) nella quale viene attivata, tra due elettrodi, una scarica elettrica con la
conseguente emissione di radiazioni con spettro continuo.
Gli SPETTROFOTOMETRI UV-VISIBILE avranno quindi al loro interno
queste due lampade, che vengono opportunamente intercambiate dal
meccanismo interno.
Il valore di “cambio – lampada” è in genere intorno a 350 nm.
uso delle LAMPADE
Ci sono due LAMPADE:
- al Tungsteno
- e al Deuterio (che è
l’isotopo dell’idrogeno (H)
quest’ultima è molto più
costosa.
Le radiazioni passano
attraverso dei fori, poi
vengono selezionate e
vanno a colpire le cuvette.
MONOCROMATORE
Il monocromatore è il sistema ottico
usato per disperdere la luce
policromatica in bande
monocromatiche, che vengono inviate
in successione sul campione.
Essi sono basati su un ELEMENTO
DISPERDENTE (prisma o reticolo),
che separa le varie componenti della
radiazione e permette la successiva
selezione della banda desiderata.
Consiste nel far incidere il fascio
policromatico su un oggetto (un
prisma o un reticolo) in grado di
deviare le diverse radiazioni con
diversi angoli: la radiazione uscente
sarà quella che passa attraverso la
fenditura di uscita.
In questo SPETTROFOTOMETRO
non si vede il monocromatore
poiché è interno
CELLA
Le pareti della cuvetta devono
essere trasparenti per consentire il
passaggio della luce che viene fatta
passare attraverso le pareti lisce.
In questa cuvetta viene inserito il
campione (in soluzione) da
esaminare.
Poiché il vetro non è trasparente alla
radiazione ultravioletta (UV), per
quest’ultima si usa la cuvetta al
quarzo.
♦ in UV si utilizzano celle in quarzo (SiO2)
♦ nel VISIBILE in vetro o quarzo o alcuni
materiali plastici.
♦ in IR si rendono necessarie celle in NaCl,
KBr, CaF2.....
ESAMINIAMO LO
SPETTROFOTOMETRO A DOPPIO RAGGIO
Dobbiamo misurare
l’assorbanza del soluto e del
solvente.
Ci sono due cuvette:
in una si mette il campione;
nell’altra si mette il solvente.
Dobbiamo fare:
l’AZZERAMENTO (o BIANCO)
per misurare l’assorbanza.
PORTACUVETTE
dove inserire il campione
Il MONOCROMATORE
in
questo caso non si vede
perché si trova
all’interno.
Per fare l’AZZERAMENTO, dobbiamo misurare l’Assorbanza del
solvente, per cui l’assorbanza dovrà essere zero.
n.b. A = εℓc (legge di Lambert e Beer)
I0 /It =1
log1 = 0
Per leggere il BIANCO si mette nella cuvetta solo il solvente (in questo
caso usiamo l’Alcool Metilico)
TRASMITTANZA
Il rapporto tra la luce trasmessa e quella incidente, si definisce TRASMITTANZA T:
♦ %T =100 → non vi è stato alcun assorbimento da parte della sostanza
♦ %T = 0 → significa che il raggio è stato completate assorbito.
ASSORBANZA
L’assorbanza è il logaritmo negativo della trasmittanza
A() = - log(T)
Secondo la legge di LAMBERT – BEER l’assorbanza A è
proporzionale sia alla concentrazione della sostanza assorbente, sia
allo spessore dello strato attraversato, per cui più elevata è la
concentrazione delle molecole che passano dallo stato fondamentale
a quello eccitato, maggiore sarà l’assorbanza (maggiore sarà la
diminuzione dell’intensità del raggio incidente).
CLASSIFICAZIONE SPETTROFOTOMETRI
Esistono diversi tipi di spettrofotometro, a seconda
di come sono organizzate le varie componenti:
♥ SPETTROFOTOMETRI MONORAGGIO
♥ SPETTROFOTOMETRI A DOPPIO RAGGIO
Gli SPETTROFOTOMETRI MONORAGGIO,
sono usati prevalentemente in analisi quantitativa
e non sono comodi per ottenere spettri di
Assorbimento.
La difficoltà sta nel fatto che per ogni misura, per
ogni λ, si deve ripetere l'azzeramento contro il
bianco, oppure registrare prima lo spettro del
bianco, poi lo spettro del campione ed infine
sottrarre al secondo il primo.
Negli SPETTROFOTOMETRI A DOPPIO
RAGGIO si ha invece un sistema che invia due
raggi, identici per frequenza e intensità, uno
attraverso il campione e l'altro attraverso il bianco,
per cui si ha un confronto continuo tra
l'assorbanza del campione e quella del bianco.
Grazie a queste caratteristiche è possibile
effettuare misure direttamente a qualsiasi λ senza
ripetere azzeramenti, e soprattutto registrare
continuativamente lo spettro di assorbimento.
SCHEMA DI UNO STRUMENTO A
SINGOLO RAGGIO
IL MONOCROMATORE è un
PRISMA o un RETICOLO DI
DIFFRAZIONE
1) Si mette nella cuvetta il solvente e si misura l’Intensità.
2) Si lava la cuvetta.
3) Si mette la soluzione e si misura l’intensità.
4) Si fa il rapporto fra le due Intensità
Converte l’Intensità
della radiazione in
Intensità di corrente
SCHEMA DI UNO STRUMENTO A
DOPPIO RAGGIO
Il bianco (o riferimento) è costituito dal
solvente ad eccezione della sostanza di
cui si vuol esaminare l’assorbimento
La radiazione proveniente dal
MONOCROMATORE si divide in due raggi che
sono inviati contemporaneamente al campione
ed al solvente.
Il secondo raggio passa
attraverso il campione e
fuoriesce con l’Intensità
trasmessa Icampione
Il computer
registra
entrambe in
modo alterno e
calcola il
rapporto.
PRIMO ESPERIMENTO
Analizziamo gli SPETTRI di ASSORBIMENTO di
COLORANTI NATURALI e della CLOROFILLA,
facendo sempre prima l’azzeramento con il BIANCO
(o BACKGROUND).
Nella nostra esperienza abbiamo esaminato tre diversi
coloranti naturali appartenenti al gruppo delle cianine:
verde, rosso e blu.
Il range è
compreso
fra 400 e
800 nm
n.b.
Il colore è sempre il
risultato delle
radiazioni non
assorbite
SPETTRO DEL COLORE
COMPLEMENTARE
Il colore complementare
del blu è l’arancione.
L’assorbanza si registra
nell’intervallo compreso
tra 520 e 600.
Lo spettro evidenzia:
-i due massimi di
assorbimento intorno a
6oo – 560;
- i due minimi di
assorbimento intorno ai
450-570nm
Se ho assorbanza nella regione dell’azzurro (a circa 500 nm) la
sostanza appare di colore complementare rosso
•
I tre coloranti hanno la stessa concentrazione, ma poiché sono cromofori
ossia sono molecole organiche che hanno un diverso P.M. , mostrano una
diversa assorbanza (varia l’altezza del picco dello spettro dell’assorbanza).
• I coloranti hanno un range di assorbimento compreso fra 400 ≤ λ ≤ 700
La sostanza di colore rosso assorbe a λ = 400 (assorbe nell’azzurro)
• Abbiamo ottenuto il seguente spettro:
I tre coloranti
assorbono in zone
diverse dello spettro
poiché hanno una
diversa lunghezza
della catena che
unisce i due atomi
di azoto (N).
Gli spettri sono
delle gaussiane con
altezze diverse.
La sostanza che assorbe nel verde (a lunghezza d’onda minore), appare di colore complementare ROSSO;
La sostanza che assorbe nell’arancione (a lunghezza d’onda maggiore) appare di colore complementare BLU;
La sostanza che assorbe nel rosso (a lunghezza d’onda maggiore) appare di colore complementare VERDE.
• Il segnale più intenso di ciascuno SPETTRO deriva da una
transizione elettronica della molecola isolata.
Gli altri due segnali meno intensi sono attribuiti ad aggregati
formati da due o più molecole.
• I tre spettri riportati in figura hanno gli stessi colori delle tre
sostanze a cui si riferiscono.
• Ciascun colorante assume il colore complementare di quello
assorbito.
• I tre coloranti assorbono in zone diverse dello spettro perché
hanno una diversa lunghezza della catena che unisce i due
atomi di azoto.
DIAGRAMMA con confronto dei colori e delle lunghezze
d’onda delle radiazioni assorbite
Ogni sostanza assume un colore complementare rispetto a quello che assorbe
RUOTA dei colori
complementari
Ad esempio: la
sostanza appare di
colore rosso che è il
colore complementare
rispetto a quello della
radiazione assorbita
(verde = 510 nm)
Alcuni alunni impegnati nell’esperienza
sulla spettroscopia
CREDITI
Partecipazione al “PROGETTO LAUREE SCIENTIFICHE”
Liceo Scientifico “G. Salvemini” Bari
Università degli Studi di Bari, Dipartimento di Chimica
Responsabile PROF. M. CASTAGNOLO
Speciale ringraziamento al Prof. Cassidei
ed al tecnico di laboratorio sig. Domenico Benedetti
Docente referente del Salvemini: prof. G. Rutigliano
Alunne: Luisa Lampignano, Simona Spinelli IV C