Misure di Spettrometria di massa Figura 1 Schema a blocchi del sistema utilizzato per la spettrom

Transcript

1 Misure di Spettrometria di massa Per le misure di spettometria di massa è stato usato un sistema schematizzato in figura 1, di seguito si riportano gli spettri secondo la sequenza temporale in cui sono stati acquisiti: Figura 1 Schema a blocchi del sistema utilizzato per la spettrometria di massa: A camera cubica di lato 100 mm, B pompa da alto vuoto, C pompa da basso vuoto, D misuratore di alto vuoto, che misura la pressione nella camera A, dove si trova alloggiato lo spettrometro di massa (E), F valvola di regolazione fine per l immissione di piccole quantità di gas in A dal volumetto G, tenuto alla pressione costante di 10 mbar, campionando il volume H alla pressione di un atmosfera, dove si trova aria o insieme gas. La parte principale è la cameretta cubica, in cui si trova lo spettrometro di massa (E) ed il misuratore di alto vuoto (D). Tale camera viene evacuata dalla pompa turbo molecolare (B) di velocità di pompaggio 70 l/s, a sua volta tale pompa richiede una pompa di prevuoto ( o basso vuoto indicata con C). Nalla camera A è possibile campionare del gas dal volume (G) attraverso una valvola (F) a perdita piccola. Per fare questo la pressione (P camp ) nel volume G è tenuta costantemente a 10 mbar, grazie al sistema indicato in figura 1 con linee di colore blu. Il gas viene costantemente prelevato dal volume H tenuto sempre aperto, e nel quale possiamo spruzzare gas vari, quindi comunque avremo nel volume aria e il gas che si aggiunge. L esperienza è stato condotta acquisendo prima lo spettro del sistema da vuoto alla pressione misurata in A P SMM= mbar. In figura 2 è riportato lo spettro di massa da 0 a 50 unità di massa atomica. Di solito in vuoto i gas che risultano dominanti, subito dopo l evacuazione dall aria, sono i gas costituinte l aria, anche presenti per permeazione, e l acqua, che aderisce alle superfici interne e per rimuoverla bisogna cuocere le camere a 200 C per almeno 48 h. Si ricorda che di solito la spettrometria di massa permette di rilevare il rapporto m/q, massa diviso carica, dove si espremi la massa in unità di massa atomica (amu= atomic mass unit) e la carica in unità di carica elementare. Percui quanto visto sullo spettro come 14 amu, potrebbe essere N 2 + +, la molecola di azoto ionizzata due volte o l atomo N + l atomo. L obiettivo di queste misure per gli studenti del liceo è solo di tipo qualitativo, percui non ci inoltreremo in tali problematiche.

2 Figura 2. Spettro di massa nel sistema da vuoto, senza alcuna perdita. Si osservano soprattutto m/e 18 acqua, 17 il gruppo OH, e 16 ossigeno molto probabilmente proveniente dall acqua. H 2 e H anche essi provenienti dalla frammentazione di H 2 O. Dopo aver acquisito lo spettro di massa in vuoto, apriamo la valvola che mette in comunicazione il volume G con il volume A. Immettendo una quantità maggiore di gas, osserviamo un aumento della pressione P SMM = mbar). Si riporta lo spettro di massa acquisito in figura 3. Si osservi che compare come atteso un picco di Azoto individuato con certezza in 28 amu N 2 + e con l equivoco tra N + e N amu. Si osservi anche l apparire di O 2 + (32) e con equivoco O + e O Si potrebbe verificare la proporzione attesa tra N2 e O2 secondo quanto riportato per l aria ovvero il 76 % N 2 e 23 % di O 2. Figura 3. Spettro di massa dopo l apertura della valvola F tra i volumi A e G. Si osserva il comparire di Azoto e Ossigeno.

3 Per essere sicuri della calibrazione degli assi. Si spruzzano nel volume H dei gas noti. È stato fatto questo con l argon, si osserva comparire infatti un picco intorno a (39) e l altro intorno a Figura 4. Spettro di massa spruzzando nel volume H di campionamento gas Argon. Si osservano nuovi picchi su 40 amu e 20 amu. Si osserva infatti che la scala è leggeremente scalibrata, il peso molecolare dell argon è 40 amu. Osservando con attenzione si vede che tutti i picchi risultano spostati. Con un atomo più leggero (He) si osservi dove appare il picco per trovare una correzione. Figura 5. Spettro di massa spruzzando He nel volume H, si osservi che rimangono ancora tracce di argon.

4 Si osserva che He si trova bene su massa 4. La correzione che dobbiamo apportare è del tipo y= A+Bx, con x il valore letto come unità di massa molecolare e con y quello che dovrebbe essere. He: 4 4 Ar: Si ricava per B= 36/35=1.03, e per A=0. Per esempio applicato a massa lette 27 (anche leggermente di più si osserva in fatti y=36/35*27=27,8 ~ 28. Una volta calibrato il sistema proviamo a vedere cosa si osserva se uno alita dentro al volume H, in figura 6, si ha un dettaglio intorno tra 35 e 50 amu. Si osservi il picco di riferimento dell argon, ancora presente. Figura 6. Spettro di massa del soffio di una persona nel volume H. Si osserva un picco sul valore 43, che calibrato fornisce y=36/35 (43) = 44 ovvero CO 2. Fiduciosi della compresione almeno qualitativo di quali masse si osservano si fa una prova vaporizzando alcole etilico o etanolo di cui ricordiamo la formula chimica (C 2 H 6 O): Si può osservare, ovviamente dopo aver calibrato la massa misurata, che si osservano massa 46, 45, 44, 43 42, 41. Su massa 40, non possiamo essere sicuri di aver eliminato del tutto dal volume H l argon che avevamo immesso prima. Si noti anche con sicurezza la massa 12 (Carbonio) non presente negli spettri precedenti.

5 Figura 7. Spettro di massa dell etanolo. Dopo si è aspettato un po per ripulire il volume H e si osserva lo spettro di massa riportato in figura 8. Figura 8. Spettro di massa dopo l evacuazione dell etanolo.

6 Infine si lascia allo studente l osservazione dello spettro di un gas utilizzato per le saldature, si cerchi per confronto con lo spettro riportato in figura 8 di estrarre informazioni sulle massa che si possono estrapolare. Si ricordi che i gas sono catene di CH 3 deducibili facilmente dalla formula dell alcole etilico (etanolo) al quale per ottenere il rispettivo gas (etano) si sostituisce il gruppo OH Figura 9. Spettro di una bombola di gas, di cui non si conosce il contenuto. con un semplice H.