SPETTROSCOPIA UV-VISIBILE

La lezione è stata preparata per una quinta classe di un istituto tecnico ad indirizzo chimico oppure per una quinta classe di un istituto professionale. PREREQUISITI La struttura atomica. Le molecole organiche. I legami σ e π. Le radiazioni elettromagnetiche. Aspetti generali della spettroscopia.

OBIETTIVI Conoscenza dei fenomeni che sono alla base della spettroscopia UV. Conoscenza della strumentazione per la spettroscopia. Conoscenza della Legge di Lambert - Beer. Applicazioni della spettroscopia UV.

+ CHE COSA E’ LA SPETTROSCOPIA? L’interazione radiazione-materia è alla base delle spettroscopie. + L’interazione della materia con la radiazione elettromagnetica provoca una perturbazione dell’energia delle molecole.

Ultravioletto Visibile Infrarosso Microonde L’INTERAZIONE DELLA RADIAZIONE CON LA MATERIA Diffusione Raggi X Fotoionizzazione Transizione elettronica Ultravioletto E N E R G I A Visibile Infrarosso Vibrazione Microonde Rotazione

LA RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA La radiazione elettromagnetica è, dal punto di vista dell'elettromagnetismo classico, un fenomeno ondulatorio dovuto alla contemporanea propagazione di un campo elettrico e di un campo magnetico, oscillanti in piani tra di loro ortogonali. La radiazione elettromagnetica si muove alla velocità della luce (c = 2.998 × 108 m/s) ma le onde differiscono nella lunghezza d’onda λ e nella frequenza ν.

n = numero d’onda (cm-1) ~ l n = 1 ~ l n c = LE CARATTERISTICHE DI UN’ONDA λ A = Ampiezza dell’onda - distanza verticale tra un massimo e l’asse delle x λ = lunghezza dell’onda -distanza tra due massimi (m) n = numero d’onda (cm-1) ~ ν = frequenza dell’onda - numero di oscillazioni in 1 secondo (s-1) l n = 1 ~ l n c = In una radiazione elettromagnetica quanto maggiore è la lunghezza d’onda tanto minore è la frequenza!

SPETTRO DELLE RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE L'insieme delle radiazioni costituisce lo spettro elettromagnetico.

La spettrofotometria UV-Visibile è interessata ai fenomeni di assorbimento delle radiazioni luminose della regione dello spettro elettromagnetico appartenenti al campo del visibile (380 – 780 nm) e del vicino UV (200 – 350 nm). La regione del lontano UV (10-200 nm) non è molto interessante perché l’assorbimento da parte dell’ossigeno atmosferico copre i segnali delle altre sostanze.

LEGGE DI PLANCK La radiazione elettromagnetica, secondo il modello corpuscolare, può essere descritta come un flusso di particelle dette fotoni. L’energia di un fotone dipende dalla frequenza (n) della radiazione secondo la relazione: DE = hn E = Energia della radiazione elettromagnetica (Joule) h = Costante di Planck (6.28 10-34 Js)  = frequenza (s-1) I fotoni hanno energie tanto più elevate quanto maggiore è la loro frequenza, ovvero quanto minore è la loro lunghezza d’onda.

COME LA RADIAZIONE INTERAGISCE CON LA MATERIA L’energia totale di un atomo, e quindi di una molecola, è quantizzata, ovvero può assumere solo determinati valori. Tale energia risulta composta dalla seguente somma: ETOT = EE + EV + ER + ET + EN Ogni atomo, e quindi ogni molecola, ha un set unico di stati energetici, ciascuno dei quali, a sua volta è quantizzato.

E1 Stati elettronici E0 Stati vibrazionali V1 V0 La spettroscopia UV è detta anche spettroscopia elettronica perché le transizioni coinvolte nell’assorbimento della radiazione UV-Visibile sono quelle elettroniche. Affinchè una radiazione generi una transizione elettronica è necessario che la sua energia sia uguale al dislivello energetico tra i due stati elettronici.

E1 E1 E0 E0 h = E1 – E0 L’ASSORBIMENTO Se una sostanza è irradiata con una radiazione elettromagnetica, le particelle di cui essa è costituita possono interagire con i fotoni della radiazione. Se una particella ha livelli di energia elettronica E0, E1 ecc., ed i fotoni hanno una frequenza hn = E1 – E0 un elettrone della particella può essere eccitato dal livello fondamentale E0 al livello eccitato E1. Il processo in cui il fotone promuove l'eccitazione dell'elettrone si chiama assorbimento.

σ → σ* 110 – 135 nm π → π* n → σ* 160 – 255 nm n → π* > 285 nm s* p p* n E N E R G I A TIPO DI TRANSIZIONE LUNGHEZZA D’ONDA DELLA RADIAZIONE NECESSARIA PER OTTENERE LA TRANSIZIONE σ → σ* 110 – 135 nm π → π* n → σ* 160 – 255 nm n → π* > 285 nm La λ necessaria per la transizione è tanto maggiore quanto minore è il dislivello energetico

Le transizioni σ → σ* sono quelle che cadono ad energia più elevata e corrispondono ad un processo di rottura dello scheletro molecolare organico costituito da legami sigma, che assorbono a lunghezza d’onda piuttosto basse (<135 nm) ovvero nel lontano UV. Poiché a queste λ assorbe anche l’ossigeno atmosferico, queste transizioni non sono utili. Gruppi funzionali contenenti legami π possono dare assorbimento nella regione 160-255 nm grazie alle transizioni π  π*. Le transizioni n  π* ed n  σ * si hanno ogni qualvolta un eteroatomo con un doppietto elettronico inerte sia incorporato in un sistema π o in un sistema σ. Le bande relative a queste transizioni non sono intense.

INTENSITÀ DELL’ASSORBIMENTO SORGENTE I I0 INTENSITÀ DELLA RADIAZIONE MONOCROMATICA ALL’USCITA DAL CAMPIONE INTENSITÀ DELLA RADIAZIONE MONOCROMATICA ALL’ENTRATA NEL CAMPIONE Se si fa passare attraverso una soluzione una radiazione monocromatica (cioè di una determinata λ) e di intensità I0, al di là della soluzione si troverà una radiazione di intensità I, che sarà minore di I0 se una parte della radiazione è stata assorbita dalla soluzione stessa, o uguale ad I0 se no si è verificato alcun assorbimento.

PARAMETRI SPETTROSCOPICI TRASMITTANZA ASSORBANZA T = I I0 A = I0 I log10 - log10 T 0 < T < 1 0 < A < 

COSA E’ UNO SPETTRO Uno spettro è un grafico in cu in ordinata viene riportato un parametro spettroscopico ed in ascissa la lunghezza d’onda. Nello spettro UV, generalmente, viene riportata l’assorbanza (A) in funzione della lunghezza d’onda (λ):

PERCHE’ SI OSSERVA UNA BANDA LARGA? In un atomo una singola transizione elettronica da luogo ad una singola riga di emissione o assorbimento, ma in una molecola una transizione elettronica è sempre accompagnata da transizioni dell’energia rotazionale e vibrazionale, cioè la molecola, mentre è eccitata elettronicamente, continua nello stesso tempo a ruotare e vibrare. Di conseguenza una transizione elettronica molecolare non dà luogo ad una singola riga, ma ad un sistema di righe detto banda, il cui massimo di assorbimento rappresenta la λ max.

ελ = assorbanza specifica molare o coefficiente di estinzione molare LEGGE DI LAMBERT - BEER Aλ = -log10T = ελ b c ελ = assorbanza specifica molare o coefficiente di estinzione molare b = lunghezza del cammino ottico (cm) c = concentrazione molare (mol/l) 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. L’assorbanza specifica molare ελ indica il valore di assorbanza del composto in esame quando b = 1 cm e c = 1 mol/l , e il suo valore dipende: dalla lunghezza d’onda della radiazione assorbita dalla natura del solvente dalla specie chimica che assorbe

L’espressione A = ελ b c è l’equazione che descrive una retta passante per l’origine, dove, per un cammino ottico unitario (1 cm), il coefficiente angolare corrisponde proprio al coefficiente di estinzione molare ελ : A c A = ελ b c E’ una legge valida per soluzioni diluite: 10-3 – 10-5 M

Al crescere della concentrazione del soluto si verificano deviazioni notevoli con conseguente scarsa attendibilità del dato analitico: A c A = ελ b c Circa le cause che provocano queste deviazioni, l'ipotesi più corretta è quella che 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.

Nella spettroscopia di assorbimento molecolare bisogna operare in modo che i valori di A misurati non siano né troppo alti né troppo bassi. Infatti, se l’assorbanza è molto elevata, il raggio uscente I sarà di intensità talmente bassa da non poter essere misurato (bassa accuratezza). Viceversa un’assorbanza molto piccola comporta un errore elevato nella misura del rapporto I0/I (bassa precisione). Per ovviare a questi inconvenienti, tenendo presente che l’intervallo di concentrazione in cui si opera è 10-3 – 10-5 M, la ε deve avere valori compresi tra 2.000-50.000 (tipicamente 10.000). Infatti, considerando: ε = 10.000 b = 1 cm c = 10-4 M A = ε b c = 10.000 x 1 x 10-4 = 1 Se A = 1 abbiamo che I0/I = 10

ANALISI QUANTITATIVA Le determinazioni quantitative sono basate sul fatto che, quando una radiazione attraversa una soluzione, viene assorbita più o meno intensamente a seconda della concentrazione; in altre parole l'assorbimento dipende dalla concentrazione. Disponendo quindi di strumenti in grado di misurare l'assorbimento si risale facilmente alla concentrazione della soluzione. METODO DELLA RETTA DI CALIBRAZIONE Consiste nel costruire una retta di calibrazione preparando soluzioni standard e misurandone l’assorbanza; dalla retta, in base ai valori di assorbanza misurati, si può poi risalire alla concentrazione dell’analita in campioni incogniti.

ANALISI QUALITATIVA Ogni sostanza ha il suo spettro di assorbimento per cui 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.