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Spettroscopia di assorbimento nel visibile e nellultravioletto Carlo I.G. Tuberoso – Appunti didattici uso laboratorio ver. 00.

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1 Spettroscopia di assorbimento nel visibile e nellultravioletto Carlo I.G. Tuberoso – Appunti didattici uso laboratorio ver. 00

2 I metodi spettroscopici di analisi si basano sulla misura della radiazione elettromagnetica prodotta o assorbita dagli analiti. Si possono classificare in funzione della regione dello spettro elettromagnetico (raggi X, ultravioletto, visibile, infrarosso ecc.) e storicamente i primi metodi spettroscopici erano ristretti alluso della radiazione visibile.

3 La spettroscopia costituisce un potente strumento di analisi chimica poiché ogni elemento chimico, ed in generale ogni sostanza, presenta uno spettro caratteristico che fornisce informazioni dettagliate e precise sulla sua struttura o sulla sua composizione.

4 La luce viene emessa o assorbita sotto forma di quanti o fotoni. L'energia E di un singolo fotone è direttamente proporzionale alla frequenza di radiazione e quindi inversamente proporzionale alla lunghezza d'onda, secondo la formula: E = h = hc/ E = h = hc/ h costante di Planck c velocità della luce Dott. Carlo I.G. Tuberoso – Appunti didattici Chimica Analitica ver

5 Si definisce lunghezza donda (λ) la distanza minima tra due punti in fase e viene espressa in: Å = cm (raggi X) μm = cm (IR) nm = cm (UV-Visibile) La frequenza rappresenta il numero di oscillazioni al secondo, ossia è il numero di cicli che passa per un punto nellunità di tempo e viene espressa in sec -1.

6 Il colore o la lunghezza donda dei quanti di luce emessi o assorbiti da un nucleo, da un atomo o da una molecola, dipende dalla loro struttura interna. In un atomo, lassorbimento o lemissione di luce di una determinata lunghezza donda corrisponde alla transizione di un elettrone da unorbita ad unaltra. Lo spettro di un atomo è sempre a righe e cade nellintervallo di frequenze dallinfrarosso al visibile. Dott. Carlo I.G. Tuberoso – Appunti didattici Chimica Analitica ver

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8 TECNICHE SPETTROSCOPICHE Dott. Carlo I.G. Tuberoso – Appunti didattici Chimica Analitica ver

9 nm (UV) nm (UV) nm (Vis) nm (Vis) m (IR) m (IR) espresso anche come numero donda 1/ espresso anche come numero donda 1/ cm cm Dott. Carlo I.G. Tuberoso – Appunti didattici Chimica Analitica ver

10 Quando una radiazione donda compresa tra 190nm e 750nm attraversa una soluzione, gli elettroni dei legami dei composti presenti in soluzione passano allo stato eccitato. Meno fortemente sono legati gli elettroni dei lagami entro la molecola, più elevata sarà la lunghezza donda della radiazione assorbita e quindi più bassa lenergia. SPETTROSCOPIA DI ASSORBIMENTO Dott. Carlo I.G. Tuberoso – Appunti didattici Chimica Analitica ver

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12 ECCITAZIONE DELLETILENE Dott. Carlo I.G. Tuberoso – Appunti didattici Chimica Analitica ver

13 P 0 = intensità radiazione incidente P = intensità radiazione emessa b = spessore dello strato di soluzione Quando un fascio di radiazione monocromatica attraversa una soluzione contenente un analita, parte della radiazione viene assorbita: Dott. Carlo I.G. Tuberoso – Appunti didattici Chimica Analitica ver

14 Transmittanza T = P / P 0 Assorbanza A = log 1 / T A = log P 0 / P Dott. Carlo I.G. Tuberoso – Appunti didattici Chimica Analitica ver

15 A= b c LEGGE DI LAMBERT-BEER A = assorbanza = assorbività molare (l mol -1 cm -1 ) b = cammino ottico (spessore cuvetta espresso in cm) c = concentrazione, espressa in mol l -1 Dott. Carlo I.G. Tuberoso – Appunti didattici Chimica Analitica ver

16 Se si riporta il segnale (T o A) in funzione della lunghezza del cammino ottico: La risposta dellassorbanza in funzione della concentrazione è lineare fino ad un certo punto: Dott. Carlo I.G. Tuberoso – Appunti didattici Chimica Analitica ver

17 I cromofori Sono gruppi presenti in molecole organiche che hanno la capacità di assorbire la radiazione elettromagnetica nella regione del visibile e in quella dellultravioletto. I cromofori più comuni sono caratterizzati da gruppi insaturi in grado di delocalizzare le cariche (etileni, acetileni, dieni, carbonili, azoico, benzeni…). Gruppi in grado di esaltare lattività del cromoforo vengono denominati auxocromi. Dott. Carlo I.G. Tuberoso – Appunti didattici Chimica Analitica ver

18 Caratteristiche di alcuni cromofori benzenici Dott. Carlo I.G. Tuberoso – Appunti didattici Chimica Analitica ver

19 Le variazioni dello spettro SPOSTAMENTODENOMINAZIONE Lunghezze donda maggiore batocromico Lunghezze donda minore ipsocromico Assorbanza maggiore ipercromico Assorbanza minore ipocromico Dott. Carlo I.G. Tuberoso – Appunti didattici Chimica Analitica ver

20 200nm600 0Abs 2 QUERCETINA Lo spettro UV-VIS Dott. Carlo I.G. Tuberoso – Appunti didattici Chimica Analitica ver

21 Lo spettro UV-VIS Dott. Carlo I.G. Tuberoso – Appunti didattici Chimica Analitica ver

22 Singolo raggio LO SPETTROFOTOMETRO Doppio raggio Dott. Carlo I.G. Tuberoso – Appunti didattici Chimica Analitica ver

23 La sorgente luminosa è costituita da lampada a: deuterio per la zona dellUV deuterio per la zona dellUV D 2 + Ee D 2 * D + D + hv (U.V.) spettro della radiazione emessa: nm tungsteno (W) per la regione visibile tungsteno (W) per la regione visibile temperatura filamento: 2870 K spettro della radiazione emessa: nm xenon (Xe) per coprire entrambe le zone xenon (Xe) per coprire entrambe le zone Dott. Carlo I.G. Tuberoso – Appunti didattici Chimica Analitica ver

24 Il monocromatore scinde la luce nelle sue lunghezze donda costituenti, ulteriormente selezionate da una fenditura successiva. I modelli più utilizzati sono il prisma e il reticolo di diffrazione: Dott. Carlo I.G. Tuberoso – Appunti didattici Chimica Analitica ver

25 Il rivelatore permette di trasformare lintensità luminosa in un segnale elettrico. Possono essere utilizzate fotocellule (a), fotomoltiplicatori (PMT, photomultiplier tubes, b) o fotodiodi. b Dott. Carlo I.G. Tuberoso – Appunti didattici Chimica Analitica ver

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27 Spettrofotometro con rivelatore a serie di diodi Dott. Carlo I.G. Tuberoso – Appunti didattici Chimica Analitica ver

28 lati opachi LE CUVETTE Dott. Carlo I.G. Tuberoso – Appunti didattici Chimica Analitica ver

29 Lampada: singola sorgente pulsata allo Xenon Intervallo: nm Dott. Carlo I.G. Tuberoso – Appunti didattici Chimica Analitica ver

30 La taratura Dott. Carlo I.G. Tuberoso – Appunti didattici Chimica Analitica ver

31 Differenza spettri Dott. Carlo I.G. Tuberoso – Appunti didattici Chimica Analitica ver

32 Linfluenza del pH Dott. Carlo I.G. Tuberoso – Appunti didattici Chimica Analitica ver

33 Spettri in derivata Dott. Carlo I.G. Tuberoso – Appunti didattici Chimica Analitica ver

34 Rilascio di un farmaco da una formulazione Dott. Carlo I.G. Tuberoso – Appunti didattici Chimica Analitica ver

35 Grazie allo sviluppo di opportuni software, gli attuali spettrofotometri possono essere utilizzati come colorimetri, apparecchi che sono in grado di misurare la radiazione luminosa e fornire un dato numerico che corrisponde alla sensazione visiva percepita dallocchio umano. I COLORIMETRI (O SPETTROCOLORIMETRI) Dott. Carlo I.G. Tuberoso – Appunti didattici Chimica Analitica ver

36 Lavorando su campioni trasparenti e in soluzione è possibile effettuare una scansione tra 380 e 780nm, impostare losservatore standard e il tipo di sorgente (in genere 10° e D65, rispettivamente) ottenendo i valori di coordinate cromatiche nel sistema CIE del tipo L*a*b*, L*u*v* o L*C*H*. In tale modo vengono valutati lintensità, la tinta e la saturazione senza bisogno di strumenti più costosi muniti della sfera. Poiché il colore viene influenzato dalle diluizioni, nel caso di campioni molto intensi è preferibile ricorrere a celle dal cammino ottico inferiore ed effettuare le opportune correzioni. Dott. Carlo I.G. Tuberoso – Appunti didattici Chimica Analitica ver

37 Tinta (Hue, h) = definisce la tonalità del colore (rosso, giallo, verde, azzurro)Tinta (Hue, h) = definisce la tonalità del colore (rosso, giallo, verde, azzurro) Luminosità (L*): indica la diversa intensità di luce, ossia di quanto la tinta è diluita con il nero. Varia da zero (nero) a 100 (bianco)Luminosità (L*): indica la diversa intensità di luce, ossia di quanto la tinta è diluita con il nero. Varia da zero (nero) a 100 (bianco) Saturazione (Chroma, C*): indica di quanto la tinta pura è diluita con il bianco. Varia da zero (bianco) a 100 (colori spettrali puri, luci monocromatiche)Saturazione (Chroma, C*): indica di quanto la tinta pura è diluita con il bianco. Varia da zero (bianco) a 100 (colori spettrali puri, luci monocromatiche) I parametri di misura del colore Dott. Carlo I.G. Tuberoso – Appunti didattici Chimica Analitica ver

38 LA RAPPRESENTAZIONE NELLO SPAZIO Spazio CIE L*a*b* (1976) Spazio CIE xy (1931) Dott. Carlo I.G. Tuberoso – Appunti didattici Chimica Analitica ver

39 Lo spazio CIE L*a*b* luminosità tinta, tonalità saturazione Dott. Carlo I.G. Tuberoso – Appunti didattici Chimica Analitica ver

40 LA FUORIMETRIA Quando gli elettroni nello stato eccitato di singoletto tornano allo stato fondamentale di singoletto ed emettono fotoni si parla di fluorescenza, processo che dura tra s e s ed è indipendente dalla temperatura. Si parla di fluorescenza primaria quando la sostanza è fluorescente allo stato naturale, mentre la fluorescenza secondaria deriva dalla reazione con sostanze fluorescenti (derivatizzazione). Le molecole naturalmente fluorescenti sono quelle con sistemi fortemente coniugati o aromatici e struttura rigida. Il picco di emissione si trova sempre a lunghezza donda maggiori (spostamento di Stokes), e pertanto, a energia più bassa. Dott. Carlo I.G. Tuberoso – Appunti didattici Chimica Analitica ver

41 FUORIMETRI Gli strumenti per la spettrofotometria di fluorescenza molecolare (spettrofluorimetri) sono simili allo spettrofotometro UV-VIS: è presente una sorgente luminosa (allo xeno o alogena al quarzo), un reticolo monocromatore, un alloggiamento per il campione, un secondo reticolo monocromatore e il rivelatore. Cambia la geometria perché in questo caso il raggio che viene emesso è letto a 90° rispetto alla luce incidente. Dott. Carlo I.G. Tuberoso – Appunti didattici Chimica Analitica ver

42 Esistono alcune peculiarità che richiedono opportuni accorgimenti tecnici, ad es. lassenza di fluorescenza provoca il buio totale, causando quindi problemi di azzeramento della linea di base. Inoltre la fluorescenza è molto sensibile alla diffusione provocata dal solvente (effetto Rayleigh) o da sostanze colloidali (effetto Tyndall), alle variazioni di pH, temperatura e viscosità o alla presenza di sostanze sequestranti. Le soluzioni non possono essere troppo concentrate in quanto una parte della luce emessa può essere riassorbita da altre molecole non eccitate. Normalmente si eseguono diluizioni pari a volte rispetto a quelle utilizzate in spettrofotometria UV-VIS. Dott. Carlo I.G. Tuberoso – Appunti didattici Chimica Analitica ver

43 SPETTROSCOPIA NELLINFRAROSSO processo che dura tra s e s ed è indipendente dalla temperatura. È una tecnica molto utilizzata per identificare composti organici ed inorganici poiché la stragrande maggioranza delle molecole presenta spettri di assorbimento caratteristici. Normalmente non viene impiegata per le analisi quantitative a causa della bassa sensibilità e precisione e delle frequenti deviazioni dalla legge di Beer. Dott. Carlo I.G. Tuberoso – Appunti didattici Chimica Analitica ver

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45 Il gran numero di legami presenti nelle molecole poliatomiche comporta che i dati ottenuti dallanalisi IR siano molto complessi e forniscano unimpronta digitale di identificazione caratteristica ed unica per ogni particolare molecola. Dott. Carlo I.G. Tuberoso – Appunti didattici Chimica Analitica ver

46 GRUPPOLEGAME ENERGIA (approx, cm -1 ) hydroxylO-H aminesN-H aromatic ringsC-H alkenesC-H alkanesC-H nitrilesC ΞN carbonylC=O aminesC-N Dott. Carlo I.G. Tuberoso – Appunti didattici Chimica Analitica ver

47 STRUMENTI PER LA SPETTROSCOPIA IR sistemi a dispersione Dott. Carlo I.G. Tuberoso – Appunti didattici Chimica Analitica ver Globar Lampada di Nernst Filo Ni-Cr Globar Lampada di Nernst Filo Ni-Cr

48 STRUMENTI PER LA SPETTROSCOPIA IR sistemi a trasformata di Fourier Dott. Carlo I.G. Tuberoso – Appunti didattici Chimica Analitica ver

49 GLI SPETTRI IR Dott. Carlo I.G. Tuberoso – Appunti didattici Chimica Analitica ver

50 GLI SPETTRI IR Dott. Carlo I.G. Tuberoso – Appunti didattici Chimica Analitica ver


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