SPETTROFOTOMETRIA UV/VIS
prof. FABIO TOTTOLA IPSIA E.FERMI, Verona 2010
1
SPETTROFOTOMETRIA
Una parte molto importante della moderna Chimica Analitica
Strumentale è basata sullo studio dello scambio di energia
(interazioni) tra la radiazione elettromagnetica e la materia.
Questo tipo di interazioni sono evidenti ad occhio nudo nel
caso di radiazioni che cadono nel campo visibile.
Per esempio, quando un fascio
di luce bianca attraversa una
soluzione di solfato di rame(II)
appare blu. Questo succede
perché gli ioni rame
interagiscono, assorbendole,
con alcune radiazioni. Il fascio
di luce riemerge mancante di
tali radiazioni, e apparirà del
colore ad esse complementari
(blu).
2
Colore percepito
3
Sappiamo che negli atomi gli elettroni hanno la massima
probabilità di trovarsi in certe zone che chiamiamo orbitali.
Un buon modo per rappresentare un orbitale è immaginare
di fotografare molte volte l’elettrone attorno al nucleo,
utilizzando sempre la stessa pellicola:
otterremmo
un
risultato
rappresentabile come in figura
con tanti puntini, uno per ogni
istantanea dell’elettrone. La
“nuvola” elettronica che viene
così a formarsi rappresenta la
distribuzione della probabilità di
trovare l’elettrone. L’insieme
delle zone dove i punti sono più
fitti è l’orbitale.
4
Gli orbitali si differenziano per energia, forma e
orientazione.
5
6
Alcuni poi sono particolarmente
complessi
7
7p
6d
7s
6p
5d
Energia crescente
6s
5p
4d
4p
3d
5f
4f
5s
4s
3p
3s
2p
2s
1s
Gli orbitali sono frequentemente
rappresentati con dei quadratini. Qui
sono raffigurati gli orbitali normalmente
utilizzati, in ordine di energia crescente.
Si deve sottolineare che al crescere di n
le differenze energetiche divengono
sempre più piccole.
8
L’energia di un atomo è dovuta
•alle interazioni nucleari
•al movimento e alle repulsioni degli elettroni
negli orbitali
•alla velocità con cui l’atomo si sposta nello
spazio
9
Quando si considera lo
spostamento di elettroni in
un atomo ci accorgiamo
che sono possibili solo
variazioni di energia ben
definite, quantizzate,
perché sono possibili solo
salti elettronici da un
orbitale all’altro (e neanche
tutti quelli teorici).
4d
3d
3p
2p
2s
10
Quando due atomi si legano sovrappongono i
loro orbitali secondo due modalità:
•frontale, forte detta di tipo s
•laterale, debole detta di tipo p
11
• Si formano così dei nuovi orbitali, detti
orbitali molecolari, rispettivamente di
tipo s e di tipo p
12
• La realtà è però un po’ più complessa perché due orbitali
atomici che si combinano formano due orbitali molecolari
(indipendentemente dal tipo s o p): uno è detto di legame
e uno di antilegame
13
s di antilegame
s di legame
p di antilegame
p di legame
14
• Per i nostri scopi e’ sufficiente rappresentare gli
orbitali molecolari in modo simbolico, soprattutto
quando sono molti gli orbitali che si sovrappongono
15
• Anzi, quello che ci
interessa è ancora
meno. Basta
ricordare che in
una molecola i
livelli energetici
degli orbitali sono
nella sequenza
riportata a fianco.
Purtroppo però…
s di antilegame (s*)
p di antilegame (p*)
di non legame (n)
p di legame (p)
s di legame (s)
16
• …il fatto che una
molecola possa ruotare e
i suoi legami possano
vibrare, fa sì che i livelli
energetici degli orbitali
interessati vengano
disturbati.
17
• Ogni livello
energetico
elettronico
è suddiviso
in livelli
vibrazionali
a loro volta
suddivisi in
livelli
rotazionali
18
200
1
• Attenzione! Il
disegno non è
in scala. Se
poniamo 1 la
distanza tra
40000
due livelli
rotazionali, vale
200 quella tra
due livelli
vibrazionali e
40000 quella
tra due
elettronici 19
L’energia di una molecola è dunque
dovuta
•alle interazioni nucleari
•al movimento e alle repulsioni degli elettroni
negli orbitali
•alla vibrazione dei legami
•alla rotazione della molecola
•alla velocità con cui l’atomo si sposta nello
spazio
20
• I livelli
energetici di
una molecola
sono dunque di
gran lunga
superiori a
quelli di un
atomo isolato…
Livelli energetici
atomici
Livelli energetici
molecolari 21
• …e molte di più sono le
transizioni energetiche.
Non ci sono solo salti
elettronici, come in un
atomo. Le transizioni
interessano tutti i livelli
di energia della
molecola. Qui viene
esemplificato il caso di
un atomo con soli due
livelli elettronici
confrontato con una
molecola con due livelli
elettronici, due
vibrazionali e due
rotazionali.
22
• In realtà le transizioni energetiche di
una molecola sono in numero inferiore
a quelle teoricamente possibili perché
alcuni “salti” sono vietati dalle regole
di selezione.
Tali regole sono molto complesse e
tratteremo qui solo quella più semplice
in base alla quale
“sono possibili solo quelle transizioni
che provocano una distribuzione
degli elettroni differente rispetto a
quella di partenza in modo da
causare una variazione del momento
di dipolo.”
23
Le radiazioni elettromagnetiche
• Le radiazioni elettromagnetiche possono essere rappresentate
come onda elettromagnetiche (natura ondulatoria) e come
una serie di pacchetti discreti di energia, i fotoni (natura
corpuscolare).
• Le due rappresentazioni non sono in contrasto: una si adatta
bene al mondo macroscopico (onda) e l'altra al mondo
atomico e molecolare (fotoni).
• Come fenomeno ondulatorio la luce è un dovuta alla
propagazione simultanea di un campo magnetico (M) e di
uno elettrico (E) tra di loro perpendicolari.
24
• Poiché, però, per le sue interazioni con la
materia è importante solo la componente
del campo elettrico l’onda
elettromagnetica viene rappresentata nel
modo semplificato qui riportato.
25
• E'importante ricordare che queste tre caratteristiche di una
qualsiasi onda elettromagnetica sono correlate dalla relazione
c =l  n
• Le lunghezze d'onda delle radiazioni elettromagnetiche vanno
da 1/10000 di nm per i raggi cosmici fino alle migliaia di metri
per alcuni tipi di onde radio. La luce visibile è dunque solo una
piccola frazione dello spettro elettromagnetico.
26
L’energia di un’onda è proporzionale alla sua
frequenza secondo l'equazione:
E = h .n
dove h è la costante di Planck che vale 6,63.10-34 J.s.
Esempio
Per una radiazione di l=600nm calcolarne il valore in
m e mm.
600 nm = 6,00.10-7 m = 0,600 mm
La frequenza di tale radiazione si ricava da c= l. n
n = c /l = 3.108m.s-1/ 6,00.10-7s= 5.1014 Hz
L’energia dell’onda è proporzionale alla sua frequenza
E = h . n = 6,63.10-34 J.s
E= 6,63.10-34 J.s . 5.1014s-1
27
28
Ancora lo spettro
elettromagnetico con
le principali
applicazioni delle
diverse onde
29
Radiazioni policromatiche e
monocromatiche
Avremo spesso osservato
il fenomeno che si verifica
in natura quando la luce
del sole, passando
attraverso goccioline
d’acqua, dà luogo
all’arcobaleno. Analoga
scomposizione della luce
si verifica, anche se con
un meccanismo diverso,
osservando la superficie
30
di un CD.
Lo spettro continuo che si ottiene ci mostra che la
luce del sole, di una lampadina, o di un qualsiasi altro
solido riscaldato è policromatica, cioè composta da
molte frequenze.
Essa ci
appare
normalmente
bianca
perché si
presenta
sempre come
somma di
tutte le
frequenze.
31
Anche elementi in
fase gassosa, se
vengono eccitati con
il riscaldamento o
con scariche
elettriche, sono in
grado di emettere
luce, come
verifichiamo tutti i
giorni nei tubi al
neon.
32
Nei saggi alla fiamma
osserviamo la produzione di luce
e sul loro stesso principio
funzionano, in modo più
spettacolare, i fuochi artificiali.
Ciò che distingue queste
sorgenti è che la loro luce ha
colore diverso a seconda
dell’elemento che la produce.
33
• Ma in che cosa si
differenziano
queste due
sorgenti
luminose…
…il Sole e una lampada
al neon?
34
Scomponendo la luce emessa nei due casi si
nota:
•per il Sole uno spettro continuo
•per il neon (o per le fiamme colorate dai sali)
uno spettro con poche frequenze
35
Filtrando opportunamente una luce composta
da radiazioni elettromagnetiche di poche
frequenze è possibile ottenere una radiazione
monocromatica
caratterizzata da una ben definita frequenza
(e quindi lunghezza d’onda)
36
Alcune interazioni luce-materia
Rifrazione
Quando una radiazione
luminosa attraversa la
superficie di separazione
di due mezzi trasparenti,
il raggio rifratto si piega
verso la normale alla
superficie se questo è il
più denso
37
E’ per la
rifrazione dei
raggi
luminosi che
gli oggetti
immersi in
acqua ci
sembrano
spezzati
38
Per ogni mezzo trasparente si definisce
un indice di rifrazione assoluto
c
n=
v
dove c= la velocità della luce nel
vuoto e
v= la velocità della luce nel
mezzo
La determinazione dell’indice di rifrazione di un
corpo viene effettuata con il rifrattometro.
39
L’angolo di rifrazione dipende dalla
lunghezza d’onda della luce incidente per
cui una radiazione policromatica viene
suddivisa nelle sue radiazioni componenti.
40
La scomposizione della luce solare con la
rifrazione attraverso minute goccioline di acqua
è responsabile del fenomeno dell’arcobaleno.
41
Anche l’arcobaleno
doppio ha la stessa
origine. Le diverse
riflessioni che si
hanno sulle goccioline
sono responsabili
dell’inversione dei
colori nei due archi.
42
A una combinazione di riflessione e separazione della
luce bianca operata dalla rifrazione sono dovuti i
riflessi colorati
del diamante che
accentua molto la
separazione della
luce a causa
dell’elevato indice
di rifrazione
Lo zircone, che ha un più
elevato indice di rifrazione, è
caratterizzata da una più
spinta separazione della luce
43
Diffusione
Consiste nella riemissione in molte direzioni di
una radiazione incidente su un sistema
costituito da particelle di varie dimensioni.
Il comportamento della diffusione dipende
dalla lunghezza d’onda della luce
incidente e dalle dimensioni delle
particelle disperse.
44
a.Diffusione di Rayleigh
Si verifica quando la radiazione incidente
attraversa un sistema costituito da particelle di
diametro molto minore della propria lunghezza
d’onda (<1/10).
L’intensità della luce diffusa è proporzionale alla
quarta potenza della frequenza della luce
incidente per cui in un fascio policromatico le
radiazioni a frequenza più alta vengono diffuse
maggiormente.
45
Azoto e ossigeno dell’aria hanno le dimensioni
adatte per dare questa diffusione con la luce del
sole. Verrà diffusa maggiormente le componenti
viola e azzurre che danno così il colore al cielo.
46
Quando il sole viene osservato direttamente si
colgono le componenti che sono meno diffuse
per cui ci appare giallo o rosso se lo strato
atmosferico attraversato è maggiore come
all’alba o la tramonto.
47
a.Diffusione di Mie
Si verifica quando la radiazione incidente
attraversa un sistema costituito da particelle di
diametro relativamente grande, superiori a
1/10 della propria lunghezza d’onda.
L’intensità della luce diffusa è meno dipendente
dalla frequenza della luce incidente per cui in
un fascio policromatico le radiazioni vengono
diffuse abbastanza omogeneamente.
48
E’ il caso delle nuvole
che ci appaiono bianche
perché diffondono in
maniera abbastanza
omogenea tutte le
radiazioni della luce
solare.
49
Una situazione particolare
si verifica con il fumo delle
sigarette.
Appare azzurro quando si
forma ma diviene bianco
quando viene emesso.
Nel primo caso le particelle
di catrame sono molto
piccole e danno la
diffusione di Rayleigh
mentre poi divengono più
grandi e danno la
diffusione di Mie.
50
a.Effetto Tyndall
Si verifica quando la radiazione incidente
attraversa un sistema costituito da particelle di
diametro approssimativamente uguale alla sua
lunghezza d’onda. E’ la tipica diffusione della
luce che attraversa una soluzione colloidale (
foto a destra)
51
Si veridica anche quando le particelle di
polvere disperse nell'aria sono investite da un
raggio di luce solare che penetra attraverso le
fessure di una finestra:
esse diventano
visibili ed
appaiono come
punti brillanti.
Anche le
goccioline di
vapore
provocano lo
stesso effetto.
52
Interferenza
Quando due onde della stessa frequenza si
incontrano possono rinforzarsi o annullarsi a
vicenda a seconda della fase con cui si
presentano: si parla di interferenza costruttiva
interferenza distruttiva.
53
Questa proprietà delle onde è utilizzata per
monocromare una radiazione policromatica utilizzando
una sottile lamina di materiale trasparente delimitata
da due specchi semitrasparenti
La luce entra e, in parte, è
riflessa dagli specchi per cui in
uscita verranno a incontrarsi
più raggi che, se in fase, si
rinforzano.
Secondo raggio diretto
Raggio diretto
54
Può però succedere anche i due raggi non
essendo in fase si annullino.
Secondo raggio diretto
Raggio diretto
Ogni raggio ha percorso più dell’altro un spazio pari
a due volte lo spessore (s) del filtro e potranno
emergere dal filtro solo quelle radiazioni che
rispettino la relazione
2s = n l
55
Se il filtro è fatto a cuneo, con uno spessore variabile, nelle
diverse zone ci saranno condizioni di interferenza costruttiva
per differenti radiazioni.
Spessore filtro
l radiazioni uscenti
300 nm
350 nm
400 nm
300, 150, 100 nm
350, 175, 117 nm
400, 200, 133 nm
Dopo lastra
vetro
300
350
400
Tutte quelle radiazioni sono ovviamente solo teoriche perché
bisogna anche vedere se erano contenute nella sorgente
56
All’interferenza sono dovuti i colori delle bolle di sapone. Quando
la luce colpisce la superficie più esterna di una bolla, parte di essa
viene riflessa, parte riesce ad attraversarla giungendo sulla
superficie più interna da cui a sua volta viene quasi
completamente riflessa. Questa seconda luce riflessa attraversa
nuovamente il velo d’acqua e, arrivata alla superficie esterna,
incontra la luce riflessa dalla lamina anteriore.
Lo spessore della bolla
condiziona quale colore potrà
avere interferenza costruttiva
ed elimina gli altri.
I colori al passare del tempo
variano perché varia lo
spessore della lamina
saponosa; la bolla infatti
sgocciola e l'acqua da essa
evapora facendola via via
assottigliare.
57
Diffrazione
Il fenomeno si verifica quando un’onda incontra fessure
o ostacoli con spaziatura dello stesso ordine di
grandezza della sua lughezza d’onda.
Una radiazione monocromatica produce un alternarsi di
zone luminose e zone scure la cui intensità decresce
rapidamente andando verso l’esterno
58
Ciò significa che solo
in alcune zone le
onde arrivano in fase
e si sommano. Come
sappiamo due onde
sono in fase se la
differenza del loro
cammino è pari a un
numero intero di
lunghezze d’onda.
59
Se la sorgente è invece policromatica (come accade
in realtà) si deve tener conto le singole lunghezze
d'onda saranno diffratte in tutte le direzioni ma
avranno differenti angoli per i quali si ha interferenza
costruttiva. Si formano delle frange, suddivise in
bande, dovute all'accostamento delle differenti l.
60
Si deve
sottolineare
che:
-anche in
questo caso
l'intensità delle
righe
diminuisce
rapidamente
al crescere
dell’ordine
dello spettro
-gli spettri del
1° e 2° ordine
sono ben
separati solo
nel VIS.
61
q
0
1,15
2,30
3,44
4,59
5,74
6,09
8,04
9,19
10,4
11,5
1°
ord
2°
ord
3°
ord
4°
ord
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000 1600
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
800
0
33
67
100
133
167
200
233
267
300
333
533
0
25
50
75
100
125
150
175
200
225
250
400
5°
ord
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
320
18,7
Nella tabella sono riportati i valori delle l per i quali
si hanno interferenze costruttive a differenti angoli
rispetto alla perpendicolare.
62
Quello che abbiamo appena visto è lo
schema su cui funziona un reticolo di
diffrazione in trasmissione: la luce
policromatica passa attraverso esso e arriva
dall’altra parte suddivisa nelle sue
componenti.
63
• Un altro tipo di reticoli utilizzati sono quelli in
riflessione. Sono ottenuti ricoprendo con uno strato
riflettente (un velo di alluminio) un sistema contenente
minutissime incisioni (anche 2000/mm). In corrispondenza
dei gradini il sistema perde le sue capacità riflettenti. Le
zone rimanenti, distanziate dello stesso ordine di
grandezza della lunghezza d'onda della luce incidente,
assumono l'identico ruolo delle fenditure nei reticoli a
trasmissione. In questo caso, però, le figure di diffrazione
si formano dalla stessa parte della luce incidente.
64
La diffrazione è
responsabile
dell’apparire di
iridescenza in molti
oggetti, tutti
caratterizzati dalla
presenza di una
spaziatura regolare
come un CD…
65
…l’opale…
66
…le ali delle farfalle…
67
Assorbimento
Le radiazioni possono essere assorbite da atomi o molecole e indurre
diversi fenomeni a seconda della frequenza (e quindi dell’ energia) della
radiazione stessa.
E' stato scoperto che diversi nuclei atomici (tra cui 1H, 13C ) immersi in un
forte campo magnetico possono variare il loro 'momento magnetico', e le
energie connesse a tali transizioni sono invece basse, e corrispondono a
quelle delle onde radio. La tecnica basata su tale principio si chiama
spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) ed ha
notevolissime applicazioni nello studio ed identificazione di molecole
organiche (nonché di imaging in campo medico).
Le microonde inducono rotazioni nelle molecole mentre le radiazioni
infrarosse (spettrofotometria IR) amplificano le oscillazioni dei legami.
La radiazioni nel campo dell’ U.V.-visibile riescono a eccitare gli elettroni
più esterni (elettroni di legame) degli atomi o delle molecole.
Anche l'energia degli elettroni interni è quantizzata e le radiazioni in
grado di effettuare le relative transizioni cadono nel lontano ultravioletto
o addirittura nei raggi X.
68
Per atomi e molecole
l’assorbimento di radiazioni del
campo UV-Visibile provoca
l’eccitazione di degli elettroni con
passaggio di essi a un livello a
energia superiore.
La transizione avviene se
• la radiazione ha l’esatta
energia per coprire il salto
• si verifica una variazione del
momento di dipolo
E’ inevitabile, per le molecole,
avere delle transizioni anche nei
livelli vibrazionali e rotazionali
dello stato elettronico eccitato.
69
Quando la molecola è eccitata che cosa può
succedere?
70
Fotoluminescenza
Quando una molecola
assorbe può assorbire
solo onde
elettromagnetiche di
frequenza tale da
portarlo a un livello
eccitato.
Da questo punto può
ritornare al livello
fondamentale per tre
differenti strade
71
1) Fluorescenza di risonanza
La molecola torna
allo stato
fondamentale
emettendo, quasi
istantaneamente,
radiazioni con
energia uguale a
quelle che hanno
prodotto
l’eccitazione.
72
2) Rilassamento vibrazionale
E’ molto più probabile che la
molecola passi al più basso
livello vibrazionale del livello
eccitato perdendo energia
grazie a urti con le molecole
circostanti.
Da questo punto possono
succedere, a seconda dei livelli
energetici della molecola,
diverse cose.
73
2-a) Conversione interna
E’ l’evento più probabile se
i livelli vibrazionali del
livello elettronico
fondamentale sono
sovrapposti con quelli
dello stato eccitato. Non è
radiativo, il che significa
che anche in questo caso
sono gli urti con le
molecole vicine a far
perdere energia.
74
2-b) fluorescenza
Se non c’è
sovrapposizione dei livelli
l’energia viene restituita in
un’unica volta con un
processo radiativo; la
frequenza della radiazione
emessa è inferiore a
quella della radiazione
assorbita perché una parte
dell’ energia è già stata
liberata sotto forma di urti
75
I corpi che mostrano questo comportamento si
presentano colorati se illuminati con luce UV che
assorbono ma riemettono con frequenza minore e
quindi nel visibile
76
Anche il chinino
dà luogo a un
comportamento
analogo.
77
2-c) Conversione intersistema
Alcune molecole sono
in grado di
riarrangiare i loro
elettroni, portandoli a
un differente stato
caratterizzato da una
variazione di spin (da
singoletto a tripletto).
La transizione è
proibita per cui
richiede tempo ad
avvenire. L’elettrone
passa ai nuovi livelli
vibrazionali…
78
…da lì l’elettrone
perde energia per
rilassamento
vibrazionale e
successivamente
emette una
radiazione di
frequenza più bassa
di quella inizialmente
assorbita
79
L’emissione di luce per fosforescenza, poiché implica
una transizione proibita e quindi poco probabile,
avviene in tempi molto più lunghi rispetto alla
fluorescenza e può durare anche per alcuni minuti.
80
Anche i fantasmini!
81
Spettri di emissione e di
assorbimento
I metodi di analisi spettroscopici sono basati sull'analisi dello spettro delle
sostanze, il quale può essere di emissione o di assorbimento:
– si ottiene uno spettro di emissione quando si analizza un fascio di luce
emesso, in opportune condizioni, da una sostanza;
– si ottiene uno spettro di assorbimento quando si analizza un fascio di
luce dopo che ha attraversato una sostanza.
Per una stessa sostanza lo spettro di emissione e di assorbimento sono
pressappoco come il positivo e il negativo di una fotografia, nel senso
che una radiazione presente nello spettro di emissione sarà mancante
in quello di assorbimento.
82
Spettroscopia nel visibile e
nell'ultravioletto
Questa spettroscopia di assorbimento si occupa delle transizioni fra
diversi stati elettronici della molecola.
Queste transizioni sono generalmente accompagnate a transizioni sia
vibrazionali che rotazionali, per cui gli assorbimenti sono costituiti da
moltissime righe molto vicine tra loro che si sovrappongono, tanto da
apparire un continuo, cioè una banda.
83
I legami ed i gruppi responsabili degli assorbimenti sono
detti cromofori, e sono responsabili di un assorbimento
situato nella regione delle lunghezze d'onda comprese tra
180 e 1000 nm.
I cromofori più semplici sono i gruppi etilenici, acetilenici,
carbonilici, carbossilici, azoici, nitrici, nitrosi, ...
L’energia richiesta dalla transizione e quindi la frequenza
assorbita dipendono anche dai gruppi legati al cromoforo,
per cui è possibile formulare previsoni sulla struttura di
una molecola a partire da dati spettroscopici (intensità e
frequenza della radiazione assorbita), ma si è ben lontani
dal poter trarre indicazioni risolutive.
Oltre che nel caso di sostanze organiche con sistemi di doppi
legami coniugati, si osservano eccitazioni nell'ambito del
visibile in diversi composti e complessi di metalli di
transizione: tutti i sali inorganici colorati presentano
questo comportamento.
84
Analisi qualitativa
Per effettuare analisi qualitative si fa uso di raggi policromatici
a spettro continuo, poi separati tramite monocromatori nelle
varie componenti (radiazioni monocromatiche).
In pratica le singole radiazioni monocromatiche di tale raggio si
fanno passare, una alla volta, attraverso la sostanza in
esame, la quale assorbirà in modo diverso, cioè con diversa
intensità, le diverse radiazioni.
85
Riportando perciò i valori
registrati in un grafico
lunghezza d'ondaassorbimento, si ottiene lo
spettro di assorbimento
della sostanza esaminata.
Per il fatto che ogni sostanza
ha il suo spettro di
assorbimento, l'esame di
tali spettri permette di
identificare a volte una
sostanza (per confronto
diretto con campioni noti
o tramite banche dati di
spettri) o, più di frequente
di controllarne il grado di
purezza.
86
Analisi quantitativa
Nel campo dell’UV/visibile è più frequente l’analisi quantitativa basata sul
fatto che, quando una radiazione monocromatica attraversa una
soluzione, viene assorbita più o meno intensamente a seconda della
concentrazione
I0
CAMPIONE
I
Dalla misura delle intensità luminose I0 e I, gli strumenti forniscono
direttamente i valori di trasmittanza e assorbanza. Il rapporto tra
l'intensità del raggio uscente e quella del raggio entrante si chiama
trasmittanza:
T= I /I0
che esprime quale frazione della luce incidente ha attraversato il campione
senza essere assorbita. T può assumere valori compresi tra 0 e 1.
E’ molto utilizzata l'assorbanza poiché risulta direttamente proporzionale alla
concentrazione ove
A = - log T
Trasmittanza e assorbanza sono adimensionali (numeri, senza unità di
misura).
87
Legge dell'assorbimento
(legge di Lambert-Beer)
Prendendo in considerazione una cella, contenente una
sostanza in soluzione, attraversata da un raggio di luce
monocromatica, si verifica che
A=ε∙b∙C
dove:
A = assorbanza (non ha unità di
misura)
ε = coefficiente di assorbimento
molare, caratteristico della
sostanza (mol-1 L cm-1)
b = cammino ottico (cm), cioè lo
spessore della soluzione
C= concentrazione molare della
sostanza (mol/L)
La legge di Lambert-Beer descrive i fenomeni di assorbimento di
radiazioni elettromagnetiche ed è valida per radiazioni
88
monocromatiche e soluzioni diluite.
Limiti della legge di Lambert-Beer
Al crescere della concentrazione del soluto si verificano
deviazioni notevoli con conseguente scarsa attendibilità del
dato analitico. Per questo motivo, le condizioni di lavoro
usuali prevedono che le soluzioni siano sempre diluite al
massimo.
E' da ricordare anche che all'aumentare della concentrazione si
ha un aumento dell'indice di rifrazione e quindi una maggior
dispersione del raggio nell'attraversare la soluzione stessa.
Un altra condizione di validità della legge di Lambert-Beer è che
le radiazioni luminose che devono attraversare la soluzione in
esame siano monocromatiche. In realtà le radiazioni
impiegate non sono mai rigorosamente monocromatiche a
causa, soprattutto, di difficoltà strumentali.
In certi casi si osservano, inoltre, deviazioni dovute
all'instaurarsi di un equilibrio chimico sensibile al pH.
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IL BIANCO
Quando il raggio di luce monocromatica investe la celletta contenente il
campione, avvengono diversi fenomeni: riflessione, rifrazione,
assorbimento da parte delle pareti della celletta, del solvente e di tutti
i reattivi aggiunti per formare il composto colorato, e ovviamente della
sostanza in esame.
L'assorbanza effettivamente misurata risente quindi di numerosi fattori
non legati alla concentrazione della sostanza in esame, portando ad
errori nella determinazione della concentrazione di quest'ultima.
I0
BIANCO
IB
I0
CAMPIONE
IC
Per aggirare questo problema, prima di misurare l'assorbanza del
campione in esame, lo strumento lo confronta con il “bianco”, cioè
una celletta identica a quella del campione e che contiene una
soluzione il più possibile simile a quella del campione ma in cui è
assente la sostanza in esame. Lo strumento misura allora
T= IC /IB
90
Spettrofotometro a doppio raggio
.
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Determinazione della
concentrazione della sostanza
Una volta ricavata l'assorbanza, dopo il confronto con il bianco, della soluzione in
esame, per risalire alla concentrazione si possono seguire diversi metodi,
sempre ricordando che (per concentrazioni 'non troppo alte') assorbanza e
concentrazione sono direttamente proporzionali:
A=ε∙b∙C
Si preparano quindi un certo numero di
soluzioni contenenti la sostanza in esame a
concentrazioni diverse e si misura la loro
assorbanza.
Si avranno quindi una serie di valori di
concentrazione (C1, C2, C3, C4, ...) associati
ai rispettivi valori di assorbanza (A1, A2, A3,
A4, ...); riportando questi valori in un grafico
cartesiano si ottiene la curva (o retta) di
.
lavoro.
La retta di lavoroviene utilizzata per soluzioni
di qualsiasi concentrazione, purché comprese
nell'intervallo in cui la curva è stata tracciata.
92
Per calcolare Cx si misura Ax e graficamente
si risolve il problema.
Sorgenti
La sorgente deve emettere radiazioni
policromatiche, contenenti cioè tutte le
lunghezze d'onda del campo richiesto.
Per la regione del visibile si utilizzano
lampade a incandescenza (a filamento
di tungsteno, lampade quarzo-iodio o
lampade tungsteno-alogeno).
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 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 due diverse
lampade, che vengono opportunamente
intercambiate dal meccanismo interno.
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Monocromatori
Come si intuisce, il monocromatore è una delle componenti critiche che
caratterizzano lo strumento.
Esistono due tipi di monocromatori basati su filtri che bloccano una parte
della luce e lasciano passare solo la parte desiderata.
I filtri ottici contengono opportune sostanze
che assorbono gran parte delle radiazioni
visibili lasciando solo la banda desiderata, cioè
un certo intervallo di lunghezze d'onda, che
ha però notevoli ampiezze (250nm). Anche
combinando più filtri, rimangono comunque
bande passanti dell'ordine di 50nm e sempre
a scapito di un indebolimento del raggio
anche per le λ richieste. Si utilizzano solo nei
colorimetri.
I filtri interferenziali si basano su un fenomeno tipicamente ondulatorio
(l'interferenza) che causa rafforzamenti o indebolimenti tra due
radiazioni che si sommano a seconda che siano o meno in fase tra loro.
Sono più efficienti dei filtri basati sull'assorbimento, consentendo bande
passanti dell'ampiezza di 20nm (nel visibile); sono tuttavia più costosi e si
utilizzano nei colorimetri migliori.
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I monocromatori basati su elementi disperdenti sono quelli
effettivamente usati negli spettrofotometri di qualità:
Il prisma è in grado di disperdere le radiazioni con diversa λ grazie al
fenomeno della rifrazione: quando un raggio di luce passa da un
mezzo ad un altro subisce una deviazione che dipende però dalla λ
della radiazione (cioè, radiazioni con diversa λ subiscono diversa
deviazione).
I reticoli svolgono la stessa funzione del prisma, ma il loro
funzionamento è basato sull'interferenza. Sono costituiti da serie di
solchi o fenditure parallele tracciati su una superficie a distanza
ravvicinata (ad esempio 1200 solchi a mm): il fenomeno è quello che
si osserva guardando obliquamente la superficie di un CD.
Nei moderni spettrofotometri si utilizzano reticoli a riflessione, sia nel
campo UV-visibile sia nell'IR.
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Celle
Sono la componente destinata a
contenere il campione da
esaminare.
Oltre ad essere trasparenti alla
radiazione impiegata, devono
avere un ben preciso 'cammino
ottico' (la
lunghezza percorsa dalla radiazione
nel campione) che dovrà essere
sufficiente ad avere assorbimenti
rilevabili dallo strumento.
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, CsI.
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Rivelatori
Sono dispositivi capaci di produrre un segnale elettrico che
dipende dall'energia delle radiazioni che lo investono. Tale
segnale elettrico (proporzionale all'intensità luminosa)
viene poi elaborato per via elettronica in modo più o meno
complesso.
In UV-visibile si possono utilizzare:
• celle fotovoltaiche e celle fotoconduttive;
• fototubi e fotomoltiplicatori;
• fotodiodi.
Le celle fotovoltaiche e fotoconduttive sono basate su
semiconduttori che generano ai loro capi una d.d.p.
direttamente proporzionale all'intensità della radiazione
incidente.
Sono poco sensibili e non coprono tutto l'UV-visibile, tuttavia
sono resistenti e poco costose: per questo motivo
vengono utilizzate in colorimetri o semplici fotometri di
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basso prezzo.
I fototubi e i fotomoltiplicatori (con amplificazioni
dell'ordine 106 – 109)sono basati sull'effetto fotoelettrico,
che consiste nell'emissione di elettroni da parte di un
materiale quando viene colpito da radiazioni luminose: il
numero di elettroni emessi (misurabile per via elettrica) è
proporzionale all'intensità della radiazione incidente.
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I fotodiodi, infine, sono microscopici circuiti su chip di silicio
(o germanio) che variano la loro d.d.p. se investiti da
radiazioni luminose. Hanno sensibilità inferiore ai
fotomoltiplicatori, ma presentano il vantaggio di poter essere
inseriti in grande numero su un singolo chip di silicio,
prestandosi così in modo efficace alla costruzione di
spettrofotometri a serie di diodi da un chip con centinaia di
fotodiodi allineati, ognuno dei quali misura la particolare
banda di radiazione inviatagli dall'elemento disperdente. In
1/10 di secondo è possibile misurare tutto lo spettro (senza
parti in movimento che inviano le λ un po' per volta.
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Spettrofotometro a serie di diodi
100