METODI OTTICI DI ANALISI sono tutti quei metodi che si basano sulla relazione tra la materia e l’energia radiante. Spettroscopia: tutti quei metodi che mediante l’utilizzo di radiazioni elettromagnetiche permettono lo studio strutturale qualitativo e quantitativo della materia. L’interazione tra una radiazione elettromagnetica e la materia può determinare: una variazione nella direzione di propagazione della radiazione elettromagnetica stessa “scattering” una transizione tra i livelli energetici che caratterizza lo stato fondamentale ed eccitato della materia.

Quando una sostanza viene sottoposta ad una radiazione elettromagnetica, l’energia della radiazione può venir assorbita dalla sostanza ed essere trasformata in altre forme di energia! energia traslazionale della molecola Etrasl, è correlata allo spostamento delle molecole nello spazio (NIR) energia rotazionale Erotaz = l’energia cinetica delle molecole intorno al loro asse; (NIR) o microonde (livelli poco distanziati) energia vibrazionale, Evibraz = associata alle vibrazioni degli atomi che costituiscono le singole molecole (livelli maggiormente distanziati) (IR) energia elettronica, Eelettr. = salto di un elettrone da un orbitale ad un altro ed in questo caso questo passaggio è favorito da radiazioni che vanno dall’ultravioletto al visibile (UV-Vis).

LA RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA La radiazione elettromagnetica è un fenomeno ondulatorio dovuto alla simultanea propagazione nello spazio di una componente magnetica (B) e di una componente elettrica (E), perpendicolari fra loro.

Ogni onda elettromagnetica è caratterizzata dai seguenti parametri: LA RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA Ogni onda elettromagnetica è caratterizzata dai seguenti parametri: Frequenza (ν), cioè il numero di oscillazioni al secondo ( o il numero di onde che transitano in un punto in un secondo) compiute dal vettore campo elettrico; Lunghezza d’onda (λ), cioè la distanza fra due punti successivi in fase dell’onda durante una oscillazione (si può definire come la distanza fra due creste successive)

Numero d’onda (n) è il numero di oscillazioni complete nell’unità di spazio di 1 cm (è il reciproco della lunghezza d’onda ed è espressa in cm unità: cm-1 ) Ampiezza (A), è il massimo spostamento di un punto rispetto alla posizione di equilibrio. Intensità (I), cioè l’energia che l’onda trasporta in un secondo attraverso una superficie di area unitaria perpendicolare alla direzione di propagazione, è proporzionale sia al quadrato dell’ampiezza, sia al quadrato della frequenza. Periodo (T) è il tempo impiegato per compiere una oscillazione completa ( è il reciproco della frequenza T = 1/ν)

Lunghezza d’onda e frequenza sono legate dalla relazione L’energia (E) associata ad una radiazione dello spettro è proporzionale alla frequenza   c è la velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche (nel vuoto è 2.9979∙ 108 ).

LO SPETTRO ELETTROMAGNETICO L’insieme di tutte le radiazioni elettromagnetiche costituisce lo spettro elettromagnetico, che copre l’intervallo compreso fra onde radio (λ > 1 m) e i raggi cosmici (λ < 10-13 m), anche se le diverse regioni spettrali non hanno dei confini netti.

attraversano l'atmosfera terrestre senza subire interferenze, come accade invece per le onde radio, e possono penetrare attraverso nubi e foschia, a differenza della radiazione visibile e infrarossa (lunghezza d’onda inferiore) - Global Positioning System (GPS); - Telefonia cellulare - Reti wireless - Forni a microonde domestici - alcuni tipi di Radar

Il forno a microonde utilizza un generatore a magnetron per produrre microonde alla frequenza di circa 2,45 GHz. L’acqua e altre sostanze (grassi, zuccheri, ecc.) nel cibo assorbono energia dalle microonde in un processo chiamato di riscaldamento dielettrico. Le molecole dell’acqua (e altre molecole nel cibo) hanno un dipolo elettrico proprio: investite dalle microonde esse ruotano cercando di allinearsi al campo elettrico oscillante. Questo movimento molecolare genera calore. Il riscaldamento avviene allora nel cibo, senza necessità di scaldare l’aria circostante il cibo come nei forni elettrici. Riduzione netta del tempo di cottura o riscaldamento.

La banda dell’infrarosso è comunemente divisa in tre parti: FAR, MID, NEAR. La regione FAR è vicina alla banda delle microonde, la NEAR è vicina alla banda della luce visibile. Termografia in ambito medico, Comunicazioni Tecniche non invasive di indagini diagnostiche (beni culturali)

La luce bianca attraverso un prisma è divisa nei colori dello spettro della luce visibile.

raggi UV sull’ambiente e sulla salute umana: UV: UV-A (400-315 nm), UV-B (315-280 nm) e UV-C (280-100 nm).

La radiazione UV che raggiunge la superfice terrestre è circa il 9% della radiazione solare. la radiazione UV-C (la più dannosa per la vita a causa del suo alto contenuto energetico) viene completamente assorbita dall´ozono e dall´ossigeno degli strati più alti dell´atmosfera; la radiazione UV-B viene anch´essa in buona parte assorbita, ma una non trascurabile percentuale (circa il 15- 20%) riesce a raggiungere la superficie terrestre; è responsabile di bruciature solari e di cancro alla pelle. la radiazione UV-A riesce in buona parte (circa il 55-60%) a raggiungere a superficie terrestre.

Lampade germicide (UV-C): distruggono microorganismi quali batteri, virus, muffe, ecc., e sono usate per assicurare la sterilità di utensili e ambienti ospedalieri. Sorgenti artificiali Lampade UV (UV-A) per favorire l´abbronzatura. Laser UV: applicazioni nell’industria (incisioni con laser), medicina (dermatologia), ecc..

I raggi X hanno un potere di penetrazione molto elevato: solo spessori dell'ordine dei centimetri di piombo -Uso medico:  radiografie -analisi chimica strutturale

I raggi γ hanno un potere di penetrazione molto elevato: utilizzate in particolari campi della medicina

TIPI DI SPETTROSCOPIE Emissione: lo stimolo è rappresentato da calore o energia elettrica, (nel caso della chemioluminescenza lo stimolo è una reazione chimica). Energia assorbita dalla materia permette una transizione tra un livello energetico inferiore ad uno superiore. Il ritorno allo stato «fondamentale» determina trasferimento di energia dalla materia all’ambiente. In questo caso si misura l’intensità della radiazione emessa.

TIPI DI SPETTROSCOPIE Assorbimento = l’interazione fotone-materia determina il trasferimento di energia dal fotone alla materia, con conseguente transizione (rotazionale, vibrazionale o elettronica) da un livello energetico più basso ad uno più alto. In questo caso si misura la quantità di energia assorbita per differenza fra quella incidente e quella trasmessa. Dispersione o “scattering” ogni qual volta ci troviamo di fronte ad un fenomeno di ridirezionamento della luce quale conseguenza della interazione con la materia.

Spettroscopia in assorbimento UV-vis e IR in Chimica Analitica Gli spettri sono caratteristici per ogni sostanza (ione o molecola)  ANALISI QUALITATIVA L’intensità della radiazione assorbita è proporzionale alla concentrazione della sostanza in esame  ANALISI QUANTITATIVA

Analisi Qualitativa Si riportano i dati relativi all’energia assorbita in un grafico, ottenendo lo spettro di assorbimento della sostanza esaminata. Spettri UV-vis di K2Cr2O7 e KMnO4 Spettro IR dell’ottano 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.

Soluzione di concentrazione c Analisi Quantitativa Quando un raggio luminoso di intensità I0 viene assorbito da un campione, la sua potenza si riduce e solo una parte (I) viene trasmessa. Si definisce TRASMITTANZA (T) la frazione di luce incidente che viene trasmessa dal campione, cioè T = I/I0 b I0 I Soluzione di concentrazione c Generalmente anziché usare la trasmittanza nelle analisi chimiche è comodo far riferimento all’ASSORBANZA (A) definita come: A = - log T. L’equazione che correla l’assorbanza con la concentrazione è la legge di LAMBERT-BEER: A =  b c c = concentrazione molare (M, mol/L), b = cammino ottico (generalmente misurato in cm), e = assorbività molare o coefficiente di estinzione (M). È una costante. Dipende dalla natura della sostanza e dalla l. L’assorbanza è pertanto una grandezza adimensionale La legge di Lambert-Beer è valida per radiazioni monocromatiche e soluzioni diluite

Legge di Lambert e Beer A =  b c A = a b c e = coefficiente di estinzione molare se C moli/L a = assorbanza specifica se C g/L Dipende dalla natura della sostanza e dalla l. c = concentrazione molare (M, mol/L), b = cammino ottico (generalmente misurato in cm),

Legge di Lambert e Beer Legge limite perché si basa su assunzioni che limitano le circostanze nelle quali può essere applicata

Quindi la legge è valida solo per soluzioni 1. Tutte le particelle si comportano in modo indipendente una dall’altra! All'aumentare della concentrazione aumenta il numero di particelle in soluzione ed aumenta anche il numero di urti fra queste; le forze inter-ioniche 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. Quindi la legge è valida solo per soluzioni a concentrazione compresa fra 10-3-10-6

2. Assorbanza deve essere misurata in presenza di una luce monocromatica Se la radiazione è policromatica si possono trascurare le deviazioni solo se: Le lunghezze d’onda del raggio policromatico, non sono quelle di una regione dello spettro in cui l’assorbanza della sostanza in esame varia al variare della lunghezza

4. La concentrazione della specie assorbente deve essere uniforme 3. Tutta la luce che attraversa il campione deve percorrere la stessa distanza b I0 I 4. La concentrazione della specie assorbente deve essere uniforme

Deviazioni chimiche alla legge di Lambert e Beer Si verificano quando la specie assorbente si dissocia, si associa o reagisce con il solvente Cr2O72- + H2O → 2 HCrO4-→ 2 H+ + CrO42- CrO42- (gialla) assorbe a 375 nm Cr2O72- (arancio) assorbe a 350 nm e 450 nm

SPETTROSCOPIA INFRAROSSO IR Gli spettri di assorbimento IR sono spettri roto-vibrazionali poiché le radiazioni IR determinano transizioni tra livelli energetici sia vibrazionali sia rotazionali. L’intervallo delle lunghezze d’onda delle radiazioni IR va dall’intervallo 4000 e 400 cm-1 numeri d’onda che corrispondono 2.5-15 μ.

Come si generano gli spettri di assorbimento IR Una vibrazione di stretching, è un movimento ritmico lungo l’asse di legame con conseguente aumento e diminuzione della distanza interatomica. Una vibrazione di bending è legata ad una variazione dell’angolo nei legami con un atomo in comune

La frequenza aumenta se aumenta la forza del legame; Legame C-C C-C (1000 cm-1) C=C (1600 cm-1) C≡C (2200 cm-1) Legame C-H C-C-H (2900 cm-1) C=C-H (3100 cm-1) C≡C-H (3300 cm-1) la frequenza diminuisce all’aumentare della massa atomica C-H (3000 cm-1) C-C (1000 cm-1) C-Cl (800 cm-1) C-Br (550 cm-1) C-I (500 cm-1)

Strumentazione IR spettrometri dispersivi (o spettrofotometri) spettrometri in trasformata di Fourier (FTIR) fotometri a filtro

Strumentazione IR filamento di Nernst = miscela di ossidi di zirconio, cerio e torio Globar=barretta di carburo di silicio.

I monocromatori possono essere a prisma o a reticolo; Il reticolo fornisce una separazione angolare delle varie radiazioni incidenti. Si basa sul fenomeno della diffrazione Un reticolo a diffrazione è costituito da una serie di fenditure sottili equidistanti praticate su uno schermo opaco; le dimensioni delle fenditure sono dello stesso ordine di grandezza delle lunghezze d’onda che compongono il fascio della luce policromatica. A seguito della interferenza selettiva di ciascuna lunghezza d’onda con queste discontinuità fisiche di superficie del reticolo, il raggio policromatico viene scomposto in raggi monocromatici separati fra loro.

SPETTROMETRI IR IN TRASFORMATA DI FOURIER FT-IR La radiazione contenente tutte le lunghezze d’onda viene divisa in due raggi che attraversano entrambi il campione, tuttavia mentre un raggio percorre una distanza fissa, l’altro percorre una distanza variabile le diverse lunghezze percorse portano alla costruzione di un interferogramma; la trasformata di Fourier trasforma questo interferogramma da grafico nel dominio del tempo nello spettro in funzione della frequenza; il vantaggio dell’uso di questi strumenti è maggiore risoluzione e minor tempo per la registrazione di uno spettro.

Spettro IR Si presenta come un diagramma che riporta in ordinata l’Assorbanza (A) o la trasmittanza (T), e in ascissa la lunghezza d’onda o la frequenza. Zona delle medie frequenze 1300-900 cm-1 detta regione delle impronte digitali, perché in questo intervallo cadono le frequenze dovute a vibrazioni tipiche del composto in esame Zona delle basse frequenze 900-600 cm-1 detta regione dei bending dei legami C-H fuori del piano

Spettro IR alcoli Stretching legame C-H saturi; Stretching legame C-O; tipica alcool secondario. Stretching legame O-H ; Leg H intermolecolare = allargamento di banda; dim frequenza.

Conferma porzione aromatica Stretching gruppo metilenico Stretching legame C-H aromatici Stretching legame O-H ; Leg H intermolecolare = allargamento di banda; dim frequenza.

Stretching legame O-H Legame H

chetoni Stretching legame C=O 1715 cm-1

Acidi carbossilici Stretching legame O-H 3300-2500 cm-1 banda larga a causa di possibili interazione dimeriche Stretching legame C=O 1680 cm-1

AMMINE Lo spettro IR dipende dal grado di sostituzione sull’atomo di N Stretching legame N-H Stretching legame C-N 1276 cm-1

Spettroscopia UV-vis Energia - + E = h  = h c 

Spettroscopia UV-vis Questa spettroscopia, come già detto, 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.

H2 Transizione σ→σ*

HOMO LUMO CH2=CH2 HOMO highest occupied molecular orbital LUMO lowest unoccupied molecular orbital Orbitali di frontiera

Le transizioni compiute dall’elettrone si distinguono in due tipi: Transizioni legali o permesse: si verificano tra due orbitali della stessa natura, ma di simmetria diversa (π→π* , σ→σ*) Transizioni illegali o interdette: si verificano tra due orbitali di natura, diversa (n→π* , n→σ*)

Transizioni legali o permesse: si verificano tra due orbitali della stessa natura, ma di simmetria diversa (π→π* , σ→σ*) L’energia richiesta per far transitare un elettrone in un orbitale di legame σ al corrispondente orbitale di non legame è grande. Ad esempio, il metano che possiede solo legami σ C-H mostra un massimo di assorbanza a 125 nm. Transizioni di questo tipo sono visibili solo tramite tecniche di registrazione “in vuoto” σ→σ*

Transizioni legali o permesse: si verificano tra due orbitali della stessa natura, ma di simmetria diversa (π→π* , σ→σ*) Prendendo in considerazione un’olefina semplice, la transizione più importante (minore energia) sarà quella tra gli orbitali HOMO e LUMO (π-π*). In sistemi semplici essa avviene a 170-200 nm per cui è rilevabile tramite tecniche di registrazione “in vuoto” π→π*

Transizioni illegali o interdette: si verificano tra due orbitali di natura, diversa (n→π* , n→σ*) C= O La transizione interdetta n→π* è dovuta all’eccitazione di uno degli elettroni dei doppietti di non legame dell’ossigeno che passa all’orbitale di antilegame del gruppo carbonilico π*. Questa transizione è interdetta in quanto l’orbitale n e l’orbitale di antilegame π* giacciono su piani perpendicolari fra loro; quando una radiazione colpisce una molecola si assiste ad una torsione di legame che permette una parziale sovrapposizione dei due orbitali. Nel gruppo carbonilico è possibile anche la transizione permessa (π→π*).

Le transizioni elettroniche sono localizzate in alcune parti della molecola CROMOFORI sono sistemi in cui sono presenti elettroni di valenza caratterizzati da una bassa energia di attivazione: sistemi insaturi Dieni e polieni coniugati (es 1,3 butadiene) (π→π*) Composti carbonilici (C=O) (n→π*) Idrocarburi aromatici (benzene) Composti con legami multipli N-O e S-O (nitro composti; solfoni) (n→π*) Composti saturi con elettroni su eteroatomi (alcoli, tioli, solfuri…) (n→σ*)

Perché se aumenta il numero di doppi legami diminuisce la separazione fra l’ultimo orbitale occupato (HOMO) ed il primo non occupato (LUMO), con una diminuzione del salto energetico che l’elettrone deve compiere per passare dallo stato fondamentale a quello eccitato. Ma anche perché…….? Aumentando il numero dei doppi legami coniugati le transizioni π → π * divengono sempre più importanti Perché?

ε = 0.87 x 1020 x P x a ε è legato alle caratteristiche strutturali della molecola dalla seguente equazione ε = 0.87 x 1020 x P x a P = probabilità di transizione = 1 a = area del sistema molecolare colpito dalla radiazione; ……. se aumenta l’insaturazione aumenta l’area colpita dalle radiazioni (a), si può affermare che ε aumenta se aumenta l’insaturazione.

Effetto batocromico o shift rosso o red shift: Si ha quando il massimo di assorbimento si sposta verso valori più elevati di λ (rosso) Cause: solvente; gruppo auxocromico Effetto ipsocromico o shift blu Si ha quando un sostituente detto ipsocromo, sposta l’assorbimento a valori più bassi di λ (blu) Cause: solvente; saturazione dell’insaturazione

Effetto ipercromico: effetto che aumenta l’intensità di assorbimento Effetto ipocromico: effetto che aumenta l’intensità di assorbimento

Auxocromi: non sono dei gruppi insaturi, che presentano un piccolo assorbimento UV, ma causano effetti significativi sull’assorbimento (sia λ max che ε) dei cromofori a cui sono legati. I gruppi auxocromi sono atomi che hanno uno o più doppietti liberi (es -OH, -OR, -NH2, -SH, alogeni) Effetto isosbestico: è il punto comune di tutte le curve di assorbimento registrate a diversi valori di pH.

Fattori che influenzano l’assorbimento Nel caso in cui le molecole siano più polari nello stato eccitato, interazioni con il solvente polare; (effetto batocromico: red shift) Effetto opposto, se il composto (es carbonile) non da legami idrogeno nello stato eccitato, e se il solvente è polare (effetto ipsocromico) solvente

Influenza del pH La diminuita coniugazione induce un effetto ipsocromico

Influenza del pH

pH OH-

monocromatore Monocromatori a prisma: (fenomeno della rifrazione) Monocromatori a reticolo: (fenomeno della diffrazione)

La rifrazione è la deviazione subita da un'onda che ha luogo quando questa passa da un mezzo ad un altro nel quale la sua velocità di propagazione cambia La diffrazione `e un fenomeno fisico associato alla propagazione delle onde, i cui effetti sono rilevanti quando un’onda incontra un ostacolo o una fenditura le cui dimensioni sono comparabili o minori rispetto alla propria lunghezza d’onda.λ

Monocromatori a prisma La dispersione è dovuta a rifrazione Mezzo disperdente vetro (Vis) e quarzo (U.V) La dispersione è provocata dalla rifrazione sulle facce del prisma; all’aumentare dell’indice di rifrazione diminuisce la lunghezza d’onda

Monocromatori a reticolo La dispersione è dovuta a diffrazione Il reticolo è rappresentato da una superficie dura e piana in cui sono presenti numerose aperture, equidistanti parallele e di uguali dimensioni.

Analisi qualitativa UV-Vis Consiste nel misurare l’assorbanza di un composto in soluzione a diverse lunghezze d’onda e riportare i relativi dati su un piano cartesiano A/ λ ottenendo una curva con un max caratteristico del composto. ESEMPIO: un composto incognito è in grado di legarsi ad un altro composto di cui è nota la ε, è possibile risalire al peso molecolare della sostanza incognita: A = ε b c c = molarità (moli/litro) b = spessore ma: c = g/peso molecolare quindi A = ε b g/PM da cui PM = ε b g/A

Analisi quantitativa UV-Vis Metodo del confronto con uno standard Metodo grafico retta di taratura (o di lavoro) Metodo delle additività delle assorbanze Metodo delle aggiunte multiple di standard

Metodo del confronto con uno standard Si fissa la λ desiderata Si misura la A di una soluzione standard (Ast) Si misura la A della soluzione incognita (Ax) Sapendo che Ax = ε b cx e Ast = ε b cst

Metodo grafico retta di taratura (o di lavoro) Si preparano diverse soluzioni a concentrazione nota dello standard Si misura l’assorbanza di ogni campione Si riportano su un grafico A/concentrazione Si misura la A della soluzione incognita (Ax) Per estrapolazione grafica si ottiene la concentrazione incognita Solo per soluzioni diluite

Deviazioni positive o negative, legate al fatto che se aumenta la concentrazione del soluto aumento collisioni fra le particelle, formazione di strutture più complesse e quindi spostamento del massimo di assorbimento