ISOTOPI. STRUTTURA DELL ATOMO Gli atomi sono costituiti da un nucleo e da. che si muovono intorno ad esso.

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1 ISOTOPI STRUTTURA DELL ATOMO Gli atomi sono costituiti da un nucleo e da. che si muovono intorno ad esso. Il nucleo atomico è costituito da PROTONI,, che hanno una carica elettrica positiva, e da NEUTRONI,, che sono elettricamente neutri. ISOTOPI: atomi di uno stesso elemento che hanno lo stesso numero di protoni, ma un numero diverso di NEUTRONI

2 Calcolo della massa nominale La massa nominale e la massa esatta di un elemento si ricavano dal peso atomico del suo isotopo più abbondante in natura (vedi tabella riportata di seguito). L unica differenza è che per la massa nominale questo valore viene APPROSSIMATO al più vicino numero intero.

3 Massa nominale CARBONIO Isotope Atomic mass (ma/u) Natural abundance (atom %) 12 C (0)* (8) 13 C (10) 1.07 (8) Massa nominale di: C = 12

4 Massa nominale OSSIGENO Isotope Atomic mass (ma/u) Natural abundance (atom %) 16 O (5) (16) 17 O (4) (1) 18 O (9) (14) Massa nominale di: O = 16

5 Massa nominale AZOTO Isotope Atomic mass (ma/u) Natural abundance (atom %) 14 N (9) (7) 15 N (9) (7) Massa nominale di: N = 14

6 Massa nominale BROMO Isotope Atomic mass (ma/u) Natural abundance (atom %) 79 Br (26) (7) 81 Br (6) (7) Massa nominale di: Br = 79

7 Massa nominale Ad es. calcolare la massa nominale di CH 3 Br si deve impiegare la massa nominale di: 12 C, 1 H, e 79 Br per ottenere M nominale = 94 Da

8 Come si calcola la MASSA ESATTA Per calcolare la massa esatta di una molecola si sommano le masse esatte degli ISOTOPI PIÙ ABBONDANTI in natura, che la costituiscono, senza che questi valori vengano approssimati. Tali valori sono riportati in tabella riferiti agli elementi H. C, N, O.

9 Tabella masse esatte degli isotopi più abbondanti Symbol Exact Mass Symbol Exact Mass Symbol Exact Mass Symbol Exact mass Ag Eu Mo Se Al Ar F Fe N Na Si Sm As Ga Nb Sn Au Gd Nd Sr B Ge Ne Ta Ba H Ni Tb Be He O Te Bi Hf Os Th Br Hg P Ti C Ho Pb Tl Ca I Pd Tm Cd In Pr U Ce Ir Pt V Cl K Rb W Co Kr Re Xe Cr La Rh Y Cs Li Ru Yb Cu Lu S Zn Dy Mg Sb Zr Er Mn Sc

10 Come si calcola la MASSA ESATTA Per calcolare la massa esatta di una molecola esistono anche delle tabelle che riportano valori di massa esatta per ogni possibile composizione elementare. Pag Pag Silverstein Silverstein

11 Come si calcola la MASSA ESATTA Per calcolare la massa esatta di una molecola di cui è nota la composizione elementare è anche possibile ricorrere a semplici calcolatori di massa esatta disponibili on line. Massa esatta

12 Determinazione della composizione elementare Se si vuole confermare l identità di una molecola verificandone la composizione elementare si deve: 1) Calcolare come descritto precedentemente (tabelle masse esatte degli isotopi o tabelle masse esatte composizione elementare) la massa esatta teorica a partire dalla composizione elementare ipotizzata

13 Quali spettrometri misurano la MASSA ESATTA 2) Misurare sperimentalmente (tramite uno spettrometro di massa idoneo a tali misure) la massa esatta del campione e confrontare i due valori (teorico e sperimentale) Per misurare sperimentalmente la massa esatta bisogna avere a disposizione uno spettrometro di massa AD ALTA RISOLUZIONE HRMS (high resolution mass spectrometer) Lo strumento misura la MASSA ESATTA della molecola e da questa, consultando le tabelle,, si può ricavare la FORMULA BRUTA

14 Quali spettrometri misurano la MASSA ESATTA Semplici programmi per personal computer in grado di calcolare la composizione elementare consistente con una data massa esatta. Esempio: : Insetticida organofosforico: Molecular Weight: chlorpyrifos C 9 H 11 NO Cl PS 3 3 Massa esatta calcolata: 348,925

15 Quali spettrometri misurano la MASSA ESATTA L analisi spettrometrica di massa ad alta risoluzione misura la massa esatta della molecola e calcola una serie di possibili composizioni elementari: chlorpyrifos C 9 H 11 NO 3 Cl 3 PS Massa esatta calcolata: 348,925

16 MASSA ESATTA Le masse esatte degli isotopi non sono NUMERI INTERI anche se il riferimento è costituito da 12 C (l unico isotopo ad avere massa intera pari a 12,00000 Da) perché parte della massa delle particelle nucleari viene consumata per assemblare le particelle nucleari nel nucleo stesso Nel calcolo della massa esatta di una molecola, a differenza della massa nominale,, le masse atomiche degli isotopi più abbondanti degli elementi NON devono essere approssimate.

17 RISOLUZIONE DELLO STRUMENTO Strumenti a bassa risoluzione forniscono solo la MASSA NOMINALE degli ioni. Uno strumento a bassa risoluzione può differenziare ioni che hanno massa nominale diversa cioè che differiscono di almeno una o più unità di massa. Nello spettro riportato, gli ioni a m/z 42 e m/z 43 danno due segnali separati:

18 RISOLUZIONE DELLO STRUMENTO Infatti, CO e N 2, che hanno identica massa nominale, forniscono un unico segnale a massa nominale 28; O + 16 N 2 ; CO 28 Il segnale del CO e quello del N 2 possono essere separati non

19 RISOLUZIONE DELLO STRUMENTO Se si calcola la massa esatta di ciascun composto. Composition Nominal Mass Exact Mass CO N = si osserva che essi differiscono di 0,01124 Da. Strumenti ad alta risoluzione possono separare ioni che differiscono di 0,01124 Da

20 RISOLUZIONE DELLO STRUMENTO In uno strumento ad alta risoluzione si osservano due ioni separati di MASSA ESATTA e

21 RISOLUZIONE DELLO STRUMENTO Il POTERE RISOLUTIVO dello strumento determina la capacità di separare tra di loro ioni di uguale massa nominale ma diversa massa esatta. Composition Nominal Mass Exact Mass CO N C 2 H Gli spettrometri ad alta risoluzione permettono di determinare la massa con una accuratezza fino alla quarta cifra decimale

22 POTERE RISOLUTIVO DELLO STRUMENTO Nell'esame delle caratteristiche di uno strumento è necessario stabilire cosa si intenda per "separare due picchi adiacenti. Nella figura, gli ioni sono in entrambi i casi separati, ma ovviamente la risoluzione è maggiore nel caso A.

23 POTERE RISOLUTIVO DELLO STRUMENTO I dati di potere risolutivo sono per convenzione misurati su coppie di segnali separati tra di loro da una valle (h) alta il 10% dell'altezza (H). 10%

24 POTERE RISOLUTIVO DELLO STRUMENTO Il potere risolutivo viene quindi definito come: dove M1 è il valore di massa inferiore, M2 è la massa superiore tra due picchi adiacenti.

25 POTERE RISOLUTIVO DELLO STRUMENTO Per es. per separare tra di loro gli ioni CO ed N 2 Composition Exact mass CO N M1 M2 è necessaria una risoluzione di: / ( ) = 2500

26 POTERE RISOLUTIVO DELLO STRUMENTO All'aumentare della massa molecolare è risoluzione maggiore. Per esempio per p separare tra di loro gli ioni C 11 necessaria una 11 H N e C H 12 Composition Nominal mass Exact mass C 12 H 12 C 11 H 10 N M1 M2 è necessaria una risoluzione di: /( ) = 12400

27 POTERE RISOLUTIVO DELLO STRUMENTO Per esempio, per p separare tra di loro gli ioni C H O 3 e C 14 NO 3 14 H 22 NO Composition Nominal mass Exact mass C 15 H 22 O 3 NO 3 C 14 H 22 NO = è necessaria una risoluzione di: /( ) = Ma anche questo valore è raggiungibile da spettrometri ad alta risoluzione che arrivano fino a

28 POTERE RISOLUTIVO DELLO STRUMENTO Tre ioni a m/z 281 sono separati impiegando uno strumento con potere risolutivo di 5000.

29 POTERE RISOLUTIVO DELLO STRUMENTO La risoluzione di uno strumento può essere regolata agendo su fenditure micrometriche che restringono la dispersione del fascio ionico. Riducendo l'ampiezza delle fenditure aumenta la risoluzione (fino al limite dello strumento), ma diminuisce la l sensibilità (meno ioni raggiungono il rivelatore).

30 ACCURATEZZA DELLO STRUMENTO Ciascuno strumento è caratterizzato - oltre che dal potere risolutivo - dalla accuratezza sulla determinazione di masse esatte, normalmente espressa in parti per milione (ppm( ppm). E la differenza tra la massa teorica e la massa misurata dallo strumento : Dm accuracy = m real m measured ppm = 10 6 * m accuracy / m measured i.e.: theoretical mass: 1000, measured mass: error: 100 ppm Un buon strumento magnetico è in grado di raggiungere una accuratezza migliore di 2 ppm

31 Massa esatta e composizione elementare Il livello di informazione che possiamo ottenere da uno spettrometro di massa dipende dal suo potere risolutivo. Strumenti a bassa risoluzione forniscono solo la massa nominale degli ioni. Strumenti ad alta risoluzione forniscono la massa esatta degli ioni, che in genere definisce univocamente la COMPOSIZIONE ELEMENTARE degli ioni corrispondenti, ovvero la formula bruta.

32 MASSA ESATTA NON SI DEVE CONFONDERE PESO MOLECOLARE MASSA ESATTA CON - La massa esatta si riferisce ad una molecola composta dagli isotopi più leggeri di ciascun elemento. Utilizza il peso atomico dell isotopo più abbondante di ogni elemento. (vedi tabella masse esatte degli isotopi più abbondanti) - Il peso molecolare può essere calcolato come la somma dei pesi atomici di tutti gli atomi costituenti la molecola. Utilizza il peso atomico dell elemento,, così come riportato nella tavola periodica degli elementi,, cioè

33 Peso Atomico Br 35 79,904 bromo peso atomico

34 Peso Atomico Peso atomico (Quello usato in stechiometria, per intendersi) E la media ponderale delle masse esatte degli isotopi presenti in natura di quel particolare elemento (la( sommatoria del prodotto tra la massa relativa di ciascun isotopo e la relativa abbondanza isotopica fratto cento) 1 H 2 H H 1 1,0079 Carbon peso atomico Ad esempio, il peso atomico dell idrogeno è approssimativamente 1,008. Come si ottiene questo valore?..

35 Peso Atomico Un grammoatomo di H è costituito dal 99,984% di 1 H e dal 0,016% di 2 H (D). 3 H è radioattivo e decade molto velocemente. Di conseguenza al peso atomico di H contribuiranno ciascun isotopo, 1 H e 2 H, nella sua percentuale relativa cosicchè il peso atomico è 1,0079.

36 Esempio: alcol benzilico Massa esatta peso molecolare Formula bruta: C 7 H 8 O Massa nominale = 108 Peso molecolare: 108,14 (7 x 12, x 1, ,999) (E una grammomole di sostanza composta da molecole contenenti tutti gli isotopi nella percentuale presente in natura) a)

37 Esempio: alcol benzilico Massa esatta peso molecolare Formula bruta: C 7 H 8 O Massa esatta: 108,06 (7 x x 1, ,9949) (Si riferisce esclusivamente alla molecola con la seguente composizione isotopica 12 C 71 H 16 8 O)

38 Massa esatta peso molecolare Esempio: un composto dello zinco Formula bruta: C 45 H 28 N OZn 4 Peso molecolare : calcolato dalla tavola periodica sarebbe mass Massa esatta: Questa differenza tra le due misure è dovuta al fatto che lo zinco possiede 5 isotopi naturali. Il più abbondante dei quali pesa Questo è il valore impiegato nel calcolo della massa esatta. Esso ha però una abbondanza del 48.6 %. Gli altri 4 isotopi, sebbene non siano così abbondanti sono tutti più pesanti, è contribuiscono significativamente alla differenza tra il peso atomico dello zinco e quello dell isotopo più abbondante

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