Spettroscopie
Spettri molecolari
L’assorbimento molecolare è più complesso dell’assorbimento atomico
perché in una molecola bisogna considerare:
– Transizioni elettroniche
– Transizioni vibrazionali
– Transizioni rotazionali
Spettri molecolari
L'energia vibrazionale è anch'essa quantizzata ed è dovuta alle vibrazioni a
cui sono soggetti gli atomi nelle molecole, vibrazioni che interessano sia gli assi
di legame sia gli angoli di legame. L'energia richiesta per effettuare transizioni
vibrazionali è quella associata alla radiazione infrarossa e la tecnica che se ne
occupa si chiama spettroscopia IR.
L'energia rotazionale è dovuta alla rotazione della molecola e può avvenire
secondo le tre direzioni nello spazio. Questa energia è quantizzata. L'energia
richiesta per modificare tale stato è quella associata alle microonde e la tecnica
che studia tali transizioni si chiama spettroscopia nelle microonde.
Quantizzazione dell’energia
La molecola può assorbire energia solo per quantità discrete (per quanti) e di
conseguenza anche l’ampiezza della vibrazione varia in modo discontinuo, vale a
dire per salti, per quantità finite
INFRARED SPECTROSCOPY
9
Oscillatore Armonico: concetto di vibrazione
Forza che agisce sulle masse per effetto
della molla F (forza di richiamo) = -k (R-Re)
Energia potenziale della particella
V = (1/2) k(R-Re)2
Energia potenziale
K = costante elastica o costante di forza
k
piccolo
x=R-Re
Gli atomi sono considerati masse puntiformi, ed i legami molle che seguono la legge
di Hooke
Spettri vibrazionali: la molecola biatomica
Re : distanza di equilibrio = distanza
di energia minima
Poichè una tipica transizione vibrazionale ha energia dell’ordine di 10-19 J, la frequenza
della radiazione è dell’ordine di 1014 Hz (infrarosso).
A 0 K si ha l’ energia di punto zero.
L’approssimazione armonica permette di definire le energie
dei livelli vibrazionali della molecola
L’energia totale posseduta
dall’oscillatore può assumere solo
valori finiti uguali a:
Frequenza di
oscillazione
• La frequenza di oscillazione è direttamente
proporzionale alla costante di forza e inversamente
proporzionale alla massa ridotta
h = costante di Plank = 6.63 ´ 10-34 J s
Spettroscopia vibrazionale di molecole poliatomiche
Modi normali di vibrazione:
• Vibrazioni di stretching
• Vibrazioni di
bending
(deformazione
angolo di legame)
simmetrico
scissoring
wagging
asimmetrico
rocking
twisting
FTIR SPECTROSCOPY - EXPERIMENT
10
Momento di Dipolo
Il momento di dipolo è una misura della distribuzione asimmetrica della carica
di una molecola
Perché una vibrazione sia ATTIVA (cioè ci sia trasferimento
di energia dalla radiazione alla molecola) deve VARIARE IL MOMENTO DI
DIPOLO della molecola nel corso della vibrazione
REGOLE DI SELEZIONE
REGOLA DI SELEZIONE GENERALE
Perché il campo elettrico possa esercitare un momento
torcente sulla molecola occorre che essa sia dotata di
momento di dipolo elettrico (molecola polare).
REGOLE DI SELEZIONE
1) Transizioni rotazionali: solo molecole con dipolo elettrico
permanente possono subire transizioni tra stati rotazionali
differenti
2) Transizioni vibrazionali: solo le vibrazioni che si accompagnano
ad una variazione del momento di dipolo possono essere eccitate
dalla radiazione elettromagnetica
(Non è necessario che la molecola possieda un dipolo permanente. E’ sufficiente che
ci sia un cambiamento del momento di dipolo, anche a partire da zero)
3) Transizioni elettroniche: la ridistribuzione elettronica deve
modificare il momento di dipolo.
Le transizioni elettroniche simmetriche (per esempio dal 2s al 1s) sono vietate (sono concesse
transizioni dal s al p).
• Ogni livello
energetico
elettronico
è suddiviso
in livelli
vibrazionali
a loro volta
suddivisi in
livelli
rotazionali
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
Spettroscopia molecolare
Etot = E elettronica + E vibrazionale + E rotazionale
Lo spettro IR si presenta come un GRAFICO in cui vengono riportate:
-Sull’asse delle ascisse la frequenza delle radiazioni IR assorbite espressa in
numero d’onda (wavenumbers-1)
- In ordinate la % di trasmittanza (%T) cioè la % di radiazione incidente che passa
attraverso il campione senza essere assorbita (ovvero la % di radiazione
trasmessa).
Lo spettro si presenta come
una serie di bande più o meno
intense
Perché si usa il numero d’onda?
CHE COSA MISURA LO STRUMENTO ?
1) La FREQUENZA
delle radiazioni che
vengono assorbite e di
quelle che vengono
trasmesse
2) La
DIMINUZIONE
dell’INTENSITA’
della radiazione
IR assorbita:
Mentre LUNGHEZZA D’ONDA e FREQUENZA della radiazione non cambiano
Sullo spettro, in corrispondenza dei picchi, si indicano il gruppo
funzionale ed il tipo di vibrazione con le lettere greche
QUANTI SONO I MODI DI VIBRAZIONE POSSIBILI IN UNA MOLECOLA?
Gradi di libertà di una molecola
Ogni atomo, riferendosi ad una terna (x, y, z) di assi cartesiani, possiede 3
coordinate spaziali (gradi di libertà), cioè può muoversi nelle tre direzioni dello
spazio x, y, z.
La molecola ne possiede quindi 3n gradi di libertà totali (n = numero di
atomi). Questo valore comprende tutti i possibili movimenti della molecola:
Se ai gradi di libertà totali togliamo i gradi di libertà traslazionali e rotazionali…
Gradi di libertà traslazionali: la molecola si comporta come un corpo rigido il cui
baricentro si sposta lungo i tre assi, la molecola presenta 3 gradi di libertà (sono
necessarie 3 coordinate per descrivere la traslazione).
Gradi di libertà rotazionali: la molecola ruota intorno ai tre assi; per le molecole
lineari i gradi di libertà sono 2 (perché la molecola è bidimensionale), per le
altre sono 3.
…restano i gradi di libertà vibrazionali…
VIBRATION OF MOLECULES
2
Gradi di libertà Vibrazionali: sono 3n-(3+3). Per le molecole lineari sono 3n-(3+2),
Riassumendo: modi di vibrazione possibili
Nel caso di una molecola che contenga N atomi, vi sono:
All’aumentare del numero di atomi (N) aumentano i modi possibili di vibrazione.
acqua
formaldeide
Attenzione: vengono osservate solo le vibrazioni IR attive
Increasing absorbance
IR Spectra of chloroform
and deuterochloroform
Shift of peak due to
replacement of H with
D (2x mass)
Mode of vibration
CHCl3
CDCl3
Measured
Measured
C-H bending
1219
912
C-Cl stretching
773
737
C-Cl bending
671
652
C-H stretching
3020
2256
bending
Basic Functional Groups
C-H
O-H
stretching
C=O
C-O
alkenes
O-H
aromatic
C-H
4000
3000
C=C
2000
C-C
1000
400
WAVENUMBER (cm-1)
http://www2.chemistry.msu.edu/faculty/reusch/VirtTxtJml/Spectrpy/InfraRed/infrared.htm#ir1
Spettroscopia di diffusione Raman
La spettroscopia di diffusione studia la luce diffusa dal campione.
E’ un processo istantaneo di diffusione della
luce per “urto” con la densità elettronica
(polarizzabilità) della molecola.
La luce diffusa (vdiff) può avere frequenza uguale alla frequenza della radiazione
incidente (vexc): Diffusione Rayleigh (Rayleigh Scattering). Urto Elastico (cioè
senza trasferimento netto di energia)
La luce diffusa può avere frequenza diversa alla frequenza della radiazione
incidente: Diffusione Raman (Raman Scattering) Urto Anelastico
Nella diffusione Raman si ha
uno scambio di energia tra la
radiazione e la molecola.
Questo scambio di energia è
uguale alle energie
vibrazionali della molecola.
Raman Stokes: parte dell’energia
della radiazione viene ceduta alla
molecola eccitando una sua
vibrazione
Raman AntiStokes: una molecola in
uno stato vibrazionale eccitato cede
parte della sua energia alla
radiazione
Poiché la popolazione di stato eccitato è sempre inferiore a quella di stato
Fondamentale, l’intensità del Raman Stokes è sempre maggiore di quella
Antistokes.
Esempio:
spettro Raman di CCl4
eccitato con λ0 = 488 nm.
Solitamente si riporta
solo la parte Stokes,
piu’ intensa.
In ascissa c’è la differenza tra
le frequenze dei fotoni
incidente e diffuso, espressa
come numero d’onda (cm-1)
Le informazioni contenute nello spettro Raman sono nelle righe Stokes.
La radiazione Rayleigh non fornisce alcuna informazione
Le righe anti-Stokes sono generalmente di intensità più bassa e sono utilizzate per
ottenere la temperatura del campione, dalrapporto con l’intensità delle righe Stokes.
38
In presenza di un campo elettrico la densità elettronica della molecola si polarizza
di una quantità P che dipende dalla tendenza che ha la molecola a distorcere la
sua distribuzione di carica (polarizzabilità) e dall’intensità del campo elettrico
applicato E
Negli esperimenti Raman l’intensità del segnale dipende dalla variazione della
polarizzabilità della nuvola elettronica che circonda la molecola nello stato
elettronico fondamentale per effetto dell’interazione con la radiazione.
Più una molecola è polarizzabile, più intenso sarà il suo segnale Raman.
Con la tecnica Raman, si osservano i modi di vibrazione che inducono una
variazione non simmetrica della polarizzabilità della molecola.
Le frequenza di vibrazione di molecole biatomiche omonucleari (O2 e N2) danno
luogo a diffusione Raman
Database RAMAN
http://rruff.info/
Polarizzabilità
Maggiore è la deformazione dell’atomo,
maggiore sarà la distanza tra le 2 cariche
che rappresentano simbolicamente il dipolo
indotto.
Quindi maggiore è il campo elettrico E
maggiore è il momento di dipolo indotto p.
Momento di dipolo indotto
α è un coefficiente di
proporzionalità che ha le
dimensioni di un volume
chiamato polarizzabilità
elettrica
α è un fattore che rende conto di come un
determinato atomo (o molecola) si lascia
deformare da un campo elettrico esterno.
Un atomo che si lascia deformare di più (che ha
di conseguenza un momento di dipolo più
grande, a parità di campo elettrico) ha una
polarizzabilità più grande. Gli atomi che hanno
più elettroni tendono in genere ad avere una
polarizzabilità più grande di quella degli atomi
con pochi elettroni.
41
44
35
45
37
Assorbimento IR e dispersione Raman
Dispersione Raman: dispersione
inelastica della luce.
IR: transizione tra
stati vibrazionali.
0
50
100
150
200
250
Numero d’onda (cm-1)
300
-300
-200
-100
0
100
Spostamento Raman
200
300
(cm-1)
Rotazioni e vibrazioni molecolari
Spettroscopia microonde ed infrarossa, rotazioni e vibrazioni.
<stato iniziale> ± radiazione → <stato finale>
Tecniche IR e Raman
IR: eccitazione continua, studio
dell’assorbimento/trasmissione,
individuazione di righe
campione
Sorgente
IR
IR
riferimento
VARIAZIONE MOMENTO DI DIPOLO
RAMAN: eccitazione
monocromatica, osservazione
della luce diffusa (Rayleigh e
Stokes)
VARIAZIONE POLARIZZABILITA’
Laser
visibile
Rivelatore
campione
Rivelatore
visibile
Regole di selezione : Differenze
Vibrazioni di CO2
• IR - Variazione di momento di Dipolo
_
+
•
+
_
_
+
+
_
+
-
_
+
+
_
_
+
+
_
-
+
-
Raman - Variazione di polarizzabilità
Livelli energetici di CO2
Differenze di energia, cm-1
20,000
Raman
2350
1335
667
Zero
IR
IR
% Trasmissione
Spettri IR e Raman di CO2
Spettro IR
Intensità diffusa
4000
2000
0
2000
Numeri d’onda (cm-1)
0
Se la molecola biatomica è
formata da due atomi uguali
come quella dell’azoto N2 o
dell’idrogeno H2 il momento
dipolare è nullo e non può
variare per effetto della
vibrazione dei due nuclei. Quindi
non assorbono nell’infrarosso.
Spettro Raman
4000
La vibrazione di stretching simmetrico della
CO2 non è attiva all’IR perché non
comporta variazione del momento
di dipolo durante la vibrazione
Un modo vibrazionale può essere IR attivo,
Raman attivo od entrambi
Regola di mutua esclusione
Molecola con un centro di simmetria
nessun modo può essere
sia IR che Raman attivo
Confronto con la spettroscopia IR
• La spettroscopia Raman e IR permette di osservare frequenze di modi di vibrazione
diversi.
• In generale le vibrazioni sono forti in Raman se il legame è covalente (C-C,), mentre
sono forti in IR se il legame è parzialmente ionico (O-H, N-H).
• L’acqua ha bande molto intense in IR e molto deboli in Raman. La tecnica: Raman è
quindi migliore per sistemi biologici.
• Poiché nel Raman si usano sorgenti laser molto intense, mentre nell’IR si usano
semplici lampade, la spettroscopia Raman può danneggiare il campione.
• Se i campioni sono fluorescenti i segnali Raman sono nascosti dalla fluorescenza
• Gli strumenti Raman sono molto più costosi degli strumenti IR.
Infrared and Raman spectrum of styrene/butadiene rubber.
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It is seen that the spectra for the gasoline's having different Octane rating are
basically similar but, although the IR spectra show minimal differences between
the samples, there are clear and unambiguous differences in the Raman
spectra.
54
IR Diffuse Reflectance and Raman
Spectra of aspirin Powder
IR Diffuse Reflectance and Raman
Spectra of an aspirin Tablet
55
Raman scattering spectra at room
temperature for A: 60KTG glass, B:
crystallized (644 °C, 3 h) sample of
KTG glass, and C: K2TiGe3O9
crystalline phase prepared by a solid
state reaction. 60KTG: 20K2O–
20TiO2–60GeO2.
56
CONFRONTO IR - RAMAN
IR
RAMAN
EFFETTO FISICO
ASSORBIMENTO
VARIAZIONE DEL MOMENTO DI DIPOLO
(forte: legami ionici come O-H, N-H)
DIFFUSIONE ANELASTICA
VARIAZIONE DELLA POLARIZZABILITA’
(forte: legami covalenti come C=C, C-S)
PREPARAZIONE DEL
CAMPIONE
SPESSORE OTTIMALE (TRASMISSIONE)
NESSUN CONTATTO, NESSUNA
DISTRUZIONE DEL MATERIALE,
SEMPLICE PREPARAZIONE;
o CONTATTO CON IL CAMPIONE (ATR)
H2O COME SOLVENTE O VETRO COME
CELLA NON DISTURBANO LA MISURA
FLUORESCENZA
PROBLEMI
FORTE ASSORBIMENTO DI VETRO, ACQUA,
CO2
MATERIALI
PRINCIPALMENTE COMPOSTI ORGANICI
PRESSOCHE’ SENZA LIMITI
INTERVALLO DI
FREQUENZE
4000 - 700 cm-1
4000 - 50 cm-1 (Stokes and Antistokes)
Raman spectroscopy can be used to distinguish between legal and illicit drugs.
Here the upper Raman spectra are caffeine (red) and the lower spectra are
methamphetamine (green). All other colors are excipient.
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