Spettroscopia atomica e molecolare
La spettroscopia utilizza le
radiazioni
elettromagnetiche (raggi , raggi X, UV, visibile,
IR, microonde e radiofrequenze) per:
• studiare la stuttura elettronica degli atomi e delle
molecole;
• per
eseguire
determinazioni
quantitative
(misurare la concentrazione) di specifiche
molecole o ioni;
La spettroscopia sfrutta l’interazione tra
radiazione elettromagnetica e la materia.
Cos’e’ la radiazione elettromagnetica?
• La radiazione elettromagnetica è una forma di
energia che si propaga anche nel vuoto, cioè
non richiede mezzo di supporto per la sua
trasmissione
– La velocità della radiazione (c) ~ 3 x 1010 cm/sec
= 3 x 108 m/sec
• La radiazione elettromagnetica è rappresentata
da un campo elettrico e un campo magnetico
perpendicolari tra loro.
Caratteristiche della radiazione
elettromagnetica
• La
radiazione
elettromagnetica
si
comporta come un’ onda sinusoidale
(modello classico).
• La radiazione elettromagnetica è anche
particella (modello copuscolare).
Parametri di un’onda
• Lunghezza d’onda (l) distanza lineare tra due massimi
successivi di un’onda
• Ampiezza distanza verticale tra un massimo e l’asse delle x
• Frequenza (v) numero di oscillazioni del campo in 1 secondo
(Hz = 1 ciclo/s)
Caratteristiche di un’onda
• In un mezzo contenente materia, la radiazione si propaga ad una
velocità minore di c (v) perché il campo elettromagnetico della
radiazione, interagendo con gli elettroni degli atomi o molecole del
mezzo, si propaga meno rapidamente.
• La frequenza di un’onda è fissata dalla sua sorgente, non cambia
quando l’onda passa da un mezzo ad un altro.
v = lv = c/n
Dove n è l’indice di rifrazione del mezzo
nvuoto = 1
naira = 1.0003 (varia = 0.9997c)
nvetro ~1.5 (vvetro ~ 0.67c)
• Dal momento che  è fissata, al diminuire di l, anche v deve
diminuire
Il numero d'onda, è definito come il numero di onde per centimetro, ed
è uguale a 1/l. Per definizione, ha le unità di cm-1.
Proprietà delle particelle di radiazione
elettromagnetica
• L’energia di un fotone dipende dalla frequenza (v) della
radiazione
Efotone = hv
hc
E  h 
 hc 
l
h = costante di Planck
h = 6.63 x 10-34 Jxs
Relazione tra onda e particella
Efotone = hv ;
=
c
l n
Efotone =
hc
ln
vmedia = lv = c/n
Relazione tra onda e particella
• Esempio: Quale è l’energia di un fotone a
500 nm ?
 = c/l = (3 x 108 m s-1)/(5.0 x 10-7 m)
 = 6 x 1014 s-1
E = h =(6.626 x 10-34 J•s)(6 x 1014 s-1)= 4 x 10-19 J
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ASSORBIMENTO
Se una particella ha livelli di energia potenziale E0, E1, E2 ecc., ed i fotoni hanno
una frequenza Efotone1 = hv1 = E1 – E0, oppure Efotone2 = hv2 = E2 – E0, ecc., un
elettrone della particella può essere eccitato dal livello fondamentale E0 al livello
eccitato E1 o E2, rispettivamente.
Efotone1 = hv1 = E1 – E0
Efotone2 = hv2 = E2 – E0
La particella eccitata si diseccita normalmente per decadimento termico,
trasferendo l'eccesso di energia attraverso collisioni con altre particelle: in tal caso
il decadimento è un processo non radiativo.
Spettro elettromagnetico
Spettro elettromagnetico e
radiazioni del visibile.
Il
tipo
di
perturbazione
dell’analita
dipende
dalla
energia
della
radiazione
perturbante.
Una
radiazione
UV
può
provocare
transizioni
degli
elettroni di valenza e di legame,
non una fotoemissione degli
elettroni dei livelli molecolari
interni.
Si ricordi che, per quanto possa
essere intensa, una radiazione
IR non è utile per eseguire una
radiografia. Intensità ed energia
sono quantità differenti.
Caratteristiche dell’ assorbimento
• Assorbimento: processo in cui il fotone promuove
l’eccitazione dell’elettrone
• Implica transizioni da uno stato “fondamentale” di
energia ad uno “eccitato”
M + h → M*
• Coinvolge quantità discrete di energia:
Efotone = ΔE transizione energetica
• Distinguiamo due tipi di assorbimento:
– Atomico
– Molecolare
Assorbimento Molecolare
• Più complesso dell’assorbimento atomico
perchè in una molecola bisogna
considerare:
– Transizioni elettroniche
– Transizioni vibrazionali
– Transizioni rotazionali
• Emolecola = Eelettronica + Evibrazionale + Erotazionale
– Eelettronica > Evibrazionale > Erotazionale
• Risultato: spettri complessi
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Livelli energetici possibili per
un atomo.
E2
E2
Livelli energetici possibili per
una molecola
E1
E1
UV-VIS
UV-VIS
E
E
v2
v1
Ad
ogni
livello
elettronico
possono
essere
associati
più
livelli vibrazionali e ad
ognuno di questi più
livelli rotazionali.
IR
r2
r1
r0
E0
v0
E0
In spettroscopia atomica l’analita è presente sotto forma di nube atomica. Essendo
impossibili vibrazioni e rotazioni, lo spettro atomico è a righe, non a bande (una banda è
l’inviluppo di numerosissime righe).
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Consideriamo l’ idrogeno, l’atomo più semplice.
• Ogni atomo ha un
numero limitato di livelli
energetici discreti.
• Pertanto, solo i fotoni di
una
certa
energia
possono interagire con gli
elettroni in un dato
atomo.
Spettri atomici
Ogni atomo ha uno specifico set di livelli energetici, e
pertanto solo certi fotoni con opportuna l possono essere
assorbiti.
Spettroscopia di assorbimento molecolare di
assorbimento UV-VIS
Questa spettroscopia 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, tanto da
apparire un continuo, cioè una banda.
La “struttura fine” dovuta alle transizioni rotazionali e
vibrazionali non è generalmente rilevabile, se non nel caso di
spettri elettronici di gas rarefatti eseguiti con spettrografi ad alta
risoluzione.
Spettri atomici – a righe, e spettri molecolari - a bande
Spettro di assorbimento di atomi di
silicio nell’intervallo 250 – 253 nm.
Spettro
di
assorbimento
del
permanganato nell’intervallo 450 – 650
nm.
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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).
A = bc
Legge di Lambert-Beer
A =bc
A è privo di dimensioni
 = coefficiente di estinzione molare (se C=M) L mol-1 cm-1
b = lunghezza del cammino della radiazione incidente cm
c = concentrazione molare mol L-1
Equazione di una retta con coefficiente angolare pari a b. Se
il cammino ottico è di 1 cm, il coefficiente angolare della retta
diviene pari a .
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 utilizzano 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 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 (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.
La lampada a Deuterio D2
Segnale in uscita da una fenditura
Stringendo la fenditura diminuisce
l’ampiezza di banda ma diminuisce
anche la potenza radiante.
I filtri permettono una selezione
limitata di lunghezze d’onda e
forniscono
bande
passanti
generalmente più large di quelle
di prismi e monocromatori. Essi
sono usati nei fotometri
(strumenti di bassa qualità).
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Filtri
•Sono il più semplice tipo di selettore di λ
•Sono progettati per selezionare (trasmettere) un intervallo di
lunghezze d’onda il più stretto possibile
Sono di due tipi:
• filtri ad assorbimento
•
filtri interferenziali
Prismi
Si basano sul fatto che l’indice di rifrazione di un
materiale è funzione della lunghezza d’onda e quindi
diverse lunghezze d’onda verranno rifratte con diversi
angoli.
•
I materiali più usati sono:
Visibile - vetro o quarzo
UV - silice fusa o quarzo
IR - NaCl, KCl
• Attualmente i prismi sono per lo più stati soppiantati dai
reticoli di interferenza
PRISMI
Gli angoli i ed r tra i raggi e la normale sono definiti di incidenza e di rifrazione. Dato che
n2 dipende dalla lunghezza d’onda, nella rifrazione la luce bianca incidente si separa nelle
sue componenti colorate. La radiazione rossa è la meno deviata, la violetta è la più
deviata.
Reticoli
• Sono
attualmente i più utilizzati nei monocromatori nella
moderna strumentazione analitica
• Consistono di solito in una superfice riflettente contenente una
serie di incavi paralleli
Monocromatore a reticolo di riflessione. Si ricordi che un
monocromatore è l’insieme di un prima (o di un reticolo) e delle
fenditure di ingresso e di uscita.
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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.....
Fototubo
• Si basa sull’effetto fotoelettrico: un fotone incide sul catodo rivestito di
un materiale fotosensibile, provocando l’emissione di un elettrone
• Si ottiene una corrente proporzionale alla intensità della radiazione
incidente
• I fototubi sono soggetti ad un rumore di fondo (dark current) causato da
effetti termici
FOTOMOLTIPLICATORE
Il fotomoltiplicatore è simile al fototubo, ma molto più sensibile. Al posto dell’anodo a singolo
filamento è composto di una serie di dinodi; gli e- emessi dal catodo vengono accelerati verso il primo
dinodo che è a un potenziale 90-100 V più positivo del catodo. Ciascun e- colpendo il dinodo 1 produce
diversi altri e- (secondari), che vengono accelerati al dinodo 2 che è a un potenziale 90-100 V più
positivo del dinodo. Si ha così una amplificazione degli e- che, alla fine della catena di diodi, può
arrivare ad un fattore nel range 105-107 per ogni fotone incidente sul fotocatodo.
La cascata di e- è raccolta all’anodo e la corrente risultante amplificata elettronicamente e misurata.
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
una combinazione di filtri e
reticoli
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.
Schema a blocchi e schema di uno
spettrofotometro UV-VIS monoraggio
Schema a blocchi e schema di uno
spettrofotometro UV-VIS doppio
raggio
La legge di Beer è una LEGGE LIMITE. In particolari condizioni si possono
osservare delle deviazioni alla relazione A=bc
LIMITAZIONI REALI:
Linearità rispettata solo per soluzioni diluite
Effetto dell’indice di rifrazione del mezzo
DEVIAZIONI CHIMICHE APPARENTI:
Variazioni della forma chimica del
composto (ad esempio indicatori di pH)
Associazioni di varia natura della specie
assorbente in funzione della composizione
della soluzione
È valida solo per soluzioni diluite (< 10-2 M)
 All'aumentare della concentrazione aumenta il numero di particelle in soluzione ed
aumenta anche il numero di urti fra queste; le forze interioniche e/o
intermolecolari aumentano e possono formarsi molecole o aggregati di particelle
più complesse, diverse per struttura da quelle in esame, per cui si potrà avere uno
spostamento del massimo di assorbimento.
  dipende dall’indice di rifrazione del mezzo che, per concentrazioni elevate,
dipende a sua volta dalla concentrazione.
Limiti strumentali
 Radiazione incidente non
perfettamente monocromatica
 Radiazioni parassite che
raggiungono il rivelatore
A'  log
P0  Ps
P  Ps
Ps = radiazione parassita
non assorbita