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Spettroscopia UV- Vis alcuni cenni…. La spettroscopia Studio delle proprietà della materia effettuato analizzando la sua interazione con una radiazione.

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Presentazione sul tema: "Spettroscopia UV- Vis alcuni cenni…. La spettroscopia Studio delle proprietà della materia effettuato analizzando la sua interazione con una radiazione."— Transcript della presentazione:

1 Spettroscopia UV- Vis alcuni cenni…

2 La spettroscopia Studio delle proprietà della materia effettuato analizzando la sua interazione con una radiazione elettromagnetica. Affinchè si possa studiare questo fenomeno, si ha bisogno di: o una sorgente di illuminazione o Un oggetto che interagisce con la luce che viene da questa sorgente o Un occhio umano (rivelatore per osservare l’effetto di questa interazione

3 Cos’è la materia? qualsiasi oggetto sotto i nostri occhi (e non solo) che abbia una certa dimensione Cos’è la radiazione? O cos’è la luce? Cos’è una sorgente di luce? sorgenti primarie, che emettono luce bruciando o consumando qualcosa (lampade fiamme), e sorgenti secondarie, che ridistribuiscono nello spazio la luce che ricevono dalle sorgenti primarie.

4 La radiazione elettromagnetica Una radiazione elettromagnetica può considerarsi costituita da onde elettromagnetiche, onde di energia che si ripetono periodicamente, con valore costante, nella direzione di propagazione. Contrariamente alle analoghe onde oceaniche che hanno un moto molto lento, le onde elettromagnetiche viaggiano alla velocità della luce: metri al secondo, chilometri l'ora! La luce è un fenomeno ondulatorio di una particolare forma di energia, l’ENERGIA ELETTROMAGNETICA.

5 È costituita da campi elettrici e magnetici oscillanti nello spazio e nel tempo che si propaga lunga una direzione. Il campo elettrico e magnetico sono perpendicolari tra loro ed alla direzione di propagazione dell’onda. In fisica, un campo magnetico è un campo, in un certo spazio, che esercita una forza magnetica su cariche elettriche in movimento e su dipoli magnetici. Campi magnetici circondano correnti elettriche, dipoli magnetici, e campi elettrici variabili. In fisica, lo spazio che circonda una carica elettrica, od in presenza di un campo magnetico si chiama CAMPO ELETTRICO. Esso esercita una forza su altri oggetti carichi. Forza di attrazione di carica elettrica per unità di carica. Radiazione elettromagnetica:

6 Si dice lunghezza d’onda ( ) la distanza spaziale tra due massimi dell’onda. La frequenza ( ) è il numero di onde in un secondo. e sono correlate dalla seguente relazione: =c/ c è la velocità della luce ~ 3×10 8 m/s. L’ampiezza (A) rappresenta la distanza tra il massimo dell’onda e la direzione di propagazione Alcune grandezze che caratterizzano una radiazione elettromagnetica

7 h = costante di Planck = · J · s: è un numero piccolissimo!!!!  Maggiore è la lunghezza d’onda ( ) di una radiazione elettromagnetiche e minore è la sua energia. Quindi l’energia e la lunghezza d’onda sono inversamente proporzionali!!!!  Maggiore è la frequenza ( ) di una radiazione elettromagnetica e maggiore è la sua energia. Quindi l’energia e la frequenza sono direttamente proporzionali! Esiste una relazione tra la frequenza di una radiazione elettromagnetica e la sua energia : ? Questo cosa comporta????

8 La luce visibile occupa solo una piccola porzione della zona centrale dello spettro. L’occhio umano è sensibile alle sole radiazioni elettromagnetiche dello spettro comprese tra 380 e 780 nm Tutte le onde elettromagnetiche sono classificate in base alle loro frequenze caratteristiche all'interno di quello che è noto come: SPETTRO ELETTROMAGNETICO Raggi X UV VIS IR RADIO AC Raggi  RADAR-TV FM/SW/AM/LW

9 Interazione radiazione-materia od anche interazione luce materia

10 Interazione radiazione-materia … vediamo cosa succede…. Oggetto (es. bicchiere d’acqua con pigmento) luce incidente luce riflessa luce rifratta luce assorbita luce difratta luce trasmessa

11 Assorbimento I campione I0I0 Una sostanza può assorbire una certa quantità di maggiore o minore le diverse radiazioni elettromagnetiche alle varie lunghezze d’onda. Domande: 1)Quanta luce assorbe? 2) quali onde assorbe? 3) cosa succede alle radiazioni assorbite? 4)Perché un oggetto assorbe la luce? 5)Cosa c’entra tutto questo con il colore?

12 Assorbimento: cosa succede? Stato fondamentale  Stato eccitato  Stato a minima energia di un particolare sistema fisico Stato ad energia più alta dello stato fondamentale  Una radiazione può cedere energia alla materia solo se  E = h 

13 EE LA LUCE E LA MATERIA Radiazione, E = h EE EE Energia ceduta Una radiazione può cedere energia alla materia (atomo o molecola solo se  E = h  !!!!  E = h  !!!! Un atomo di idrogeno di Bohr (questo modello è stato superato, ma è ancora utile didatticamente) Per un atomo: = l’energia è quantizzata!!

14 molecola molecola* h E0 E1 Le molecole sono costituite da più atomi e da più elettroni, e quindi rappresentano dei sistemi più complicati: anche le molecole possono assorbire radiazione elettromagnetica, e possono passare a stati eccitati (fare dei salti energetici). MolecolaMolecola* h Anche per le molecole, affinchè avvenga una transizione energetica, occorre utilizzare radiazione con una precisa frequenza ( ) = elettrone generico

15 Una radiazione può essere assorbita dalla materia solo se la sua energia è pari alla differenza di energia tra lo stato fondamentale e quello eccitato della molecola h  =  E Radiazione assorbita!!! Stato fondamentale Stato eccitato Energia h  <  E h  <  E Radiazione NON assorbita h  >  E h  >  E Radiazione NON assorbita

16 Ma.. Vi ricordate? E=h =h(c/ ) Le molecole assorbono quindi solo onde di una particolare lunghezza d’onda, quindi solo ALCUNI COLORI!!!!!!

17 IL COLORE DEGLI OGGETTI riassunto In effetti un oggetto ci appare del colore associato alla mescolanza delle radiazioni che esso non assorbe, e quindi riflette. Vedremo in seguito… Le differenti lunghezze d'onda vengono interpretate dal cervello come colori, che vanno dal rosso delle lunghezze d'onda più ampie (minore frequenza), al violetto delle lunghezze d'onda più brevi (maggiore frequenza). Le frequenze comprese tra questi due estremi vengono percepite come arancio, giallo, verde, blu e indaco. Le frequenze immediatamente al di fuori di questo spettro percettibile dall'occhio umano vengono chiamate ultravioletto (UV), per le alte frequenze, e infrarosso (IR) per le basse. Anche se gli esseri umani non possono vedere l'infrarosso, esso viene percepito dai recettori della pelle come calore. Alcuni animali, come le api, riescono a vedere gli ultravioletti; altri invece riescono a vedere gli infrarossi.

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20 Interazione radiazione-materia

21 Spettroscopia UV-Visibile transizioni elettroniche  Riguarda le transizioni elettroniche  variazioni della distribuzione elettronica all’interno della molecola E3E3 E2E2 E1E1 Quando un campione viene irradiato da una sorgente luminosa di opportuna lunghezza d’onda, gli elettroni dello stato fondamentale acquistano l’energia necessaria per popolare uno stato eccitato Come conseguenza, a quelle stesse lunghezze d’onda, solamente una frazione della luce mandata sul campione viene trasmessa al rivelatore

22 E1E1 E2E2 E3E3 E4E4 E2E2 E5E I/I 0 I/I =  E/h

23 Studi spettroscopici forniscono informazioni sui livelli energetici di una molecola, e quindi sulla sua struttura chimica Poiché ogni sostanza ha un particolare spettro di assorbimento, l'esame di tali spettri permette di identificare una sostanza (per confronto diretto con campioni noti o tramite banche dati di spettri) o di controllarne il grado di purezza. Siam fatte così

24 Un grafico che riporti l’assorbanza di una specie, in funzione della lunghezza d’onda della radiazione incidente, viene detto SPETTRO DI ASSORBIMENTO. Nel caso di un atomo, lo spettro di assorbimento è costituito da righe, mentre per una molecola (sistema più complesso), è costituito da bande Clorofilla a Esempio: Spettro di assorbimento della clorofilla a A Lunghezza d’onda (nm) Il perché di righe e bande lo vedremo poi….

25  METODO NON DISTRUTTIVO  METODO NON DISTRUTTIVO : non necessita di alcun prelievo di materiale dell’oggetto da analizzare  METODO DISTRUTTIVO  METODO DISTRUTTIVO: necessita di un prelievo di materiale dell’oggetto da analizzare. Può essere di bulk (il campione viene omogeneizzato e trattato) o stratigrafico (il campione viene analizzato nei suoi singoli strati che lo compongono). Metodi di analisi :

26 Un esperimento di spettroscopia (assorbimento) SorgenteMonocromatoreCampioneRivelatore E1E1 E2E2 E3E3 I/I 0 1 (=  E 1 /h) 2 (=  E 2 /h) 3 (=  E 3 /h) I0I0 I

27 Come si fa???? Cos’è uno spettro??? Io non c’entro.. sigh Uno spettro è un grafico in cui si riporta l’intensità della radiazione assorbita dal campione in funzione della lunghezza d’onda o frequenza della radiazione stessa SorgenteMonocromatoreCampioneRivelatore Si fa uso di raggi policromatici separati tramite monocromatori nelle varie componenti (radiazioni monocromatiche). Le singole radiazioni monocromatiche si fanno passare, una alla volta, attraverso la sostanza in esame, la quale assorbirà in modo diverso le diverse radiazioni. Riportando i valori registrati in un grafico lunghezza d'onda- assorbimento, si ottiene lo spettro di assorbimento della sostanza esaminata. II0I0

28 Componenti di uno Spettrofotometro Sorgente: fornisce una radiazione continua sulle lunghezze d’onda di interesse Monocromatore: seleziona una stretta banda di lunghezze d’onda dallo spettro della sorgente Rivelatore: converte la radiazione elettromagnetica trasmessa in energia elettrica Sorgente Monocromatore Campione Rivelatore Computer Riferimento P PoPo Specchio rotante specchio

29 Come si registra uno spettro?  Si manda prima una linea di base  serve a togliere le disomogeneità fra le due cuvette e a fornire il valore di “zero” dell’assorbanza  Nella cella di riferimento si lascia il solvente, nell’altra si mette la soluzione  Si regolano i parametri in modo da avere una misura riproducibile

30 Quanta luce assorbe la mia molecola?? I campione I0I0

31 Legge di Lambert e Beer Soluzione di concentrazione c I0I0 C I  [M -1 cm -1 ] [l] = [cm] [C]= [M]

32 Le cuvette possono essere in plastica, vetro e quarzo. Attenzione: nell’UV assorbono il vetro e la plastica (utilizzare celle di quarzo!) Portacampione…….

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34 L’assorbimento di radiazione elettromagnetica da parte di una soluzione può essere sfruttato grazie alla legge di Lambert-Beer, definita per una data lunghezza d’onda: A =  bc concentrazione cammino otticocoefficiente di estinzione molare L’assorbanza di una soluzione è direttamente proporzionale alla concentrazione della specie assorbente Se si conosce la costante , caratteristica della specie assorbente in esame, posso conoscere c, misurando A (per una opportuna ) c

35 Vediamo un po’ di spettri…… ma prima di tutto: Regole empiriche = ( chi assorbe cosa…) -Se lo spettro di un composto esibisce una banda di assorbimento ad intensità bassa nella regione nm, e nessun altro assorbimento sopra i 200 nm, il composto contiene un solo cromoforo non coniugato con elettroni n (transizione n→π ∗ ) es: C=O nell’acetone -Se lo spettro presenta molte bande, anche nel visibile, il composto contiene probabilmente catene coniugate o gruppi aromatici. es: benzene -Se il composto è colorato possono esistere almeno 4,5 cromofori coniugati e gruppi auxocromi (con l’eccezione di alcuni nitro-, azo-, diazo-, and nitroso- composti che sono colorati). Cromoforo: gruppi funzionali organici insaturi che assorbono nell’UV-VIS Auxocromo: gruppo che estende la coniugazione di un cromoforo condividendo elettroni liberi

36  Un valore di ε tra10000 and generalmente rappresenta un semplice chetone α,β-insaturo o un diene.  -Bande con ε tra1000 and normalmente mostrano la presenza di un gruppo aromatico. Se il gruppo aromatico ha dei gruppi funzionali possono comparire bande con ε> ed altre con ε<  -Bande con ε< 100 rappresentano transizioni n→π ∗. E per quanto riguarda il coefficiente di estinzione molare?

37 Vediamo alcuni esempi….. Cromoforo Alchene Alchene coniugato Carbonile Carbossile Ammide Azo Nitro Nitrato Aromatico NOTA BENE: le posizioni dei massimi di assorbimento dipendono anche dal solvente! Esempio C 6 H 13 CH=CH CH 2 =CHCH=CH 2 (CH 3 ) 2 C=O CH 3 COOH CH 3 CONH 2 CH 3 NNCH 3 CH 3 NO 2 C 2 H 5 ONO 2 Benzene (C 6 H 6 ) max, nm , , , 256 , [M -1,cm -1 ] , , 200

38 Condizioni di misura A>>1 Grande variazione tra I 0 ed I  Grande segnale Poca luce trasmessa  Elevato rumore A<<1 Piccolo segnale Basso rumore Il rapporto segnale/rumore è ottimizzato per A ~ 1 Nota: se il campione è torbido, si ha un’assorbanza fittizia

39 Colori della luce visibile Lunghezza d’ondaAssorbita Osservata violetto verde-gialla blu-violagiallo blu arancione blu-verde rosso verdeviola verde-giallo violetto gialloblu arancione verde-blu rossoblu-verde viola verde

40 Un po’ di teoria dei colori… E’ possibile ottenere tutte le differenti tonalità miscelando i tre colori fondamentali (blu, rosso e verde). La sintesi additiva dei tre colori fondamentali determina una sensazione cromatica di saturazione chiamata bianco. L’assenza degli stessi tre colori produce la sensazione definita nero. Tre colori fondamentali: rosso blu e giallo R+G+B= Bianco R+G= Verde R+B= Magenta

41 Esempio di spettro UV-visibile di un’aldeide insatura. La banda a 395 nm rende conto del fatto che il composto è colorato in arancio, colore complementare rispetto al violetto che corrisponde alla regione spettrale interessata (~ 400 nm) ESEMPIO

42 Le transizioni elettroniche promosse dalla radiazione UV-vis-NIR coinvolgono anche i vari livelli vibrazionali. Per questo motivo lo spettro è del tipo “a bande”. Questa caratteristica complica notevolmente il riconoscimento e la quantificazione di composti in miscela Perché si parla di bande e non di righe? Perché gli spettri di assorbimento sono “larghi”? Perché si parla di bande e non di righe? Perché gli spettri di assorbimento sono “larghi”?

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44 E’ possibile notare subito l’influenza di questa variabile chimica sulle sostanze: le soluzioni corrispondenti allo stesso colorante presenti a due concentrazioni idrogenioniche diverse, infatti,possono apparire di colore differente. Altro problema: effetto del pH in soluzioni acquose. Ciò è dovuto all’influenza dello ione H+ sulla stabilità delle molecole, che si ripercuote sui livelli energetici e quindi sugli spettri di assorbimento delle sostanze. Spesso, quindi, coloranti pH sensibili si sciolgono e si conservano in SOLUZIONI TAMPONE Soluzioni tampone Soluzioni tampone: soluzioni acquose di opportune specie chimiche (acidi o basi deboli) che per diluizione e per aggiunta o sottrazione di ioni H 3 O + mantengono il loro pH invariato

45 Rosso: Alizarina E’ di origine naturale E’ usato fin dall’antichità E’la componente stabile del carminio di robbia La Trinità ( ) Masaccio, Santa Maria Novella, Firenze

46 ESEMPI “REALI”: Dammar prima Dammar dopo Studio dell’efficienza del protettivo dammar e del courtrai Vernice Dammar: fortemente ingiallita Blocca passaggio delle radiazioni negli strati pittorici sottostanti che non risultano fotossidati. Courtrai prima Courtrai dopo Siccativo di Courtrai: no ingiallito Radiazioni riescono a penetrare nel bulk compromettendo strati pittorici sottostanti che risultano degradati.

47  METODO NON DISTRUTTIVO  METODO NON DISTRUTTIVO : non necessita di alcun prelievo di materiale dell’oggetto da analizzare  METODO DISTRUTTIVO  METODO DISTRUTTIVO: necessita di un prelievo di materiale dell’oggetto da analizzare. Può essere di bulk (il campione viene omogeneizzato e trattato) o stratigrafico (il campione viene analizzato nei suoi singoli strati che lo compongono). Metodi di analisi :

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49 Cenni di riflettanza Escludendo un limitato numero di eccezioni, gli oggetti di indagine nel campo beni culturali sono opachi I0I0 IrIr Spettroscopia di riflettanza Registra lo spettro della radiazione diffusa dalla superficie del campione, inclusa o esclusa la componente riflessa

50 Spettroscopia di riflettanza I0I0 IrIr Riv La riflessione diffusa è alla base della spettroscopia di riflettanza Dalla misura della riflettanza riesco a ottenere informazioni sulla natura chimica del campione (analogo all’assorbimento!!!!) Il campione assorbe alcune componenti della radiazione incidente, per cui l’assorbimento riduce l’intensità di luce diffusa

51 I dati sono espressi usualmente in % R (riflettanza percentuale) dove R è la riflettanza dello standard, S è l’intensità di emissione del campione e D è il rumore di fondo dello strumento Per non farci spaventare, possiamo vederla così: % R = I campione I standard = luce riflessa dal campione/ luce riflessa dallo standard Vi ricorda qualcosa? Come potete vedere le due equazioni sono molto simili

52 Per effettuare misure in riflettanza è necessario in primo luogo registrare uno spettro del bianco, ovvero di una sostanza la cui superficie sia (idealmente) totalmente riflettente, quindi fornisca come risposta esclusivamente lo spettro di emissione della sorgente, senza modifiche dovute alle molecole della sostanza irraggiata Una sostanza che ha queste caratteristiche è il solfato di bario, BaSO 4, che costituisce uno standard di riferimento molto utilizzato in riflettanza UV-visibile, in quanto ha una riflettanza vicina al 100% nel range visibile. Altri standard impiegati comunemente sono costituiti da materiali polimerici di aspetto, ovviamente, bianco Esecuzione di misure UV-visibili in riflettanza Spettro di riflettanza del solfato di bario, che corrisponde allo spettro di emissione di una sorgente a Xenon ad emissione pulsata. Questo spettro è poi automaticamente sottratto dagli spettri dei campioni

53 Come per la trasmittanza,anche la riflettanza diminuisce in maniera NON LINEARE all’aumentare della concentrazione delle specie che assorbono. Esistono diversi algoritmi usati per linearizzare questa equazione che dipendono dalla natura del campione, dalla sorgente e dalla geometria dello strumento Spettri in riflettanza di vetri di differente colore:Blu, verde, porpora Come si fa a ricavare qualche informazione da questi spettri????? ? ? ? ? ?

54 Nella figura di sinistra sono riportati gli spettri di riflettanza di tre pigmenti bianchi: bianco piombo (a - linea tratteggiata), bianco zinco (b - linea continua) e bianco titanio (c - linea tratteggiata e punteggiata) Gli spettri in derivata prima (dx) permettono di discriminare i tre pigmenti e di identificare i pigmenti impiegati nel dipinto in due punti diversi (linee d, e) I metodo d(x)= lim (x 0) (f(x 0 +h)-f(x 0 ))/h

55 Riflettanza ed assorbimento sono due facce di una stessa medaglia: esiste un collegamento tra uno spettro di riflettanza ed uno di assorbimento? in teoria si… ed in pratica???? In pratica si usa l’equazione di Kubelka-Munk NOTA: Nella carta la luce è assorbita dai residui aromatici presenti nella lignina

56 HexA= hexenuronic acid riflettanza diffusa (R%). funzione di Kubelka - Munk: Dove: = riflettanza diffusa (di un campione di spessore infinitesimo) K( )= coefficiente di assorbimento o di estinzione molare S( )= coefficiente di diffusione

57 Nel caso in cui il coefficiente di diffusione possa considerarsi costante, gli spettri di riflettanza possono essere “convertiti” in quelli di assorbanza, (tramite k). I presupposti di base sono:  Soluzioni estremamente diluite ( diluizione “infinita”) in una matrice non assorbente)  Coefficiente di scattering costante (matrice molto omogenea e composta da particelle molto piccole)  Il campione deve essere su strato sottile (1.5 mm). Se sono presenti queste condizioni, la spettroscopia di riflettanza diffusa può fornire risultati di altà qualità.

58 per oggi è finita per fortuna…..

59 Applicazioni della spettroscopia UV-Visibile riassunto… transizioni elettroniche 1) Riguarda le transizioni elettroniche  variazioni della distribuzione elettronica all’interno della molecola 2) Studi spettroscopici forniscono informazioni sui livelli energetici di una molecola, e quindi sulla sua struttura chimica  ogni molecola ha uno spettro di assorbimento particolare 3) E’ possibile riconoscere un pigmento sulla base dello spettro UV- Visibile  attribuzioni temporali 4) Da misure di assorbanza è possibile determinare la concentrazione del cromoforo. 5) Analisi di miscele incognite

60 COLORE. Percezione sensoriale dovuta a radiazioni elettromagnetiche in grado di stimolare la retina dell'occhio. Tali radiazioni appartengono alla cosiddetta banda del visibile: radiazione luminosa, o luce, è appunto l'insieme delle radiazioni monocromatiche (cioè di una data lunghezza d'onda) in grado di produrre questo stimolo. Ciascuna radiazione monocromatica comporta la visione di un determinato colore; combinazioni di radiazioni diverse fanno vedere colori diversi e tale rappresentazione psichica varia a seconda degli individui e delle situazioni. SPETTRO. L'insieme delle radiazioni monocromatiche presenti in una luce policromatica; anche la striscia luminosa, colorata, che si ottiene raccogliendo su uno schermo le radiazioni in cui è stata scomposta una luce policromatica || Spettro visibile è l'insieme delle radiazioni elettromagnetiche che producono sensazioni luminose. SPETTROSCOPIA. Ramo della fisica che si occupa della produzione e dell'analisi dello spettro delle radiazioni elettromagnetiche e in particolare di quello della luce.

61 Infatti se si conosce la struttura di una molecola, applicando la meccanica quantistica, si può risalire al suo diagramma energetico, e conoscere così le distanze di energia che intercorrono tra uno stato ed un altro. A ciascun salto energetico corrisponderà una particolare frequenza della radiazione assorbita, e indirettamente ogni salto energetico che coinvolga la radiazione visibile, determinerà il colore che noi osserveremo per una data sostanza. A questo punto ci si può chiedere perché una sostanza assorba proprio in corrispondenza di certe lunghezze d’onda piuttosto che di altre. La risposta a questa domanda prevede che si conosca la struttura delle molecole che costituiscono tale sostanza, ed in pratica la natura dei legami da cui sono tenute assieme. Indigotina (blu) Tartrazina (gialla)


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