Parte 4. spettroscopia

Transcript

1 Parte 4 spettroscopia 166

2 La spettroscopia è lo studio dell interazione della materia con la luce o con altre radiazioni elettromagnetiche. L interazione con la luce comporta un aumento dell energia interna del sistema. Nell enunciare il primo principio si era definito: E = mgh mv2 +U contributo che tiene conto dell energia microscopica: energia interna ΔU = q +W l interazione con la luce esegue un lavoro sulle molecole aumentandone il contenuto di energia interna 167

3 Una descrizione più dettagliata di energia interna tiene conto di dettagli molecolari : energia elettronica: energia degli elettroni negli orbitali (atomici o molecolari) ( kj/mol) energia vibrazionale: dovuta alle vibrazioni a cui sono soggetti gli atomi nelle molecole, che interessano sia gli assi di legame sia gli angoli di legame. (5-60 kj/mol) energia rotazionale: dovuta alla rotazione della molecola secondo le tre direzioni nello spazio ( KJ/mol) Luce con caratteristiche diverse (es. diversa lunghezza d onda) esegue un lavoro sul sistema che si trasforma in forme diverse di energia interna. 168

4 Radiazione elettromagnetica La radiazione elettromagnetica è una forma di energia che si propaga in modo ondulatorio attraverso lo spazio. lungo la direzione x descrizione di Maxwell (1864) la componente elettrica (E) e la componente magnetica (H) oscillano su piani perpendicolari tra loro e perpendicolari alla direzione di propagazione. - spettroscopie ottiche (assorbimenti IR, Uv-visibile, fluorescenza, ): interazione materia componente elettrica - spettroscopie magnetiche (NMR, EPR, ): interazione materia componente magnetica 169

5 grandezze chiave nella descrizione di una radiazione z ampiezza dell onda l l distanza x lunghezza d onda: λ (nm) frequenza: ν (Hz=s -1 )=c/λ c=3x10 8 m/s velocità della luce nel vuoto frequenza angolare: ω=2πν (rad/s) ampiezza (E 0 ) direzione di propagazione (per es. x) polarizzazione (per es. lungo z) " E z (x,t) = E 0 cos 2π # $ λ ( x ct % ) & ' onda piana, polarizzata monocromatica che si propaga lungo x 170

6 Dualismo onda-corpuscolo La radiazione elettromagnetica trasporta energia: secondo la fisica nonquantistica il flusso I di energia è proporzionale a E 02, e può essere variato in modo continuo - Planck (radiazione del corpo nero, 1900) ed Einstein (effetto fotoelettrico, 1905), propongono una visione del tutto nuova: l'energia della radiazione elettromagnetica è quantizzata. - La radiazione è vista come un insieme di fotoni ( pacchetti discreti di energia) che si propagano a velocità c ciascuno con energia : E fotone =hν - dove h è la costante di Planck, con le dimensioni di un energia per tempo: h = Js 171

7 classificazione delle radiazioni elettromagnetiche in base a λ Energia, kj mol Frequenza, Hz raggi cosmici raggi gamma raggi X radiazione ultravioletta radiazione infrarossa microonde, radar radiofrequenze onde corte luce visibile Lunghezza d onda, metri atomi piccole molecole proteine virus batteri spessore di un capello formica ape gatto altezza dell uomo balena 400 nm 475 nm 510 nm 570 nm 590 nm 650 nm (b) 172

8 l interazione della materia con radiazioni di λ diverse dà origine a fenomeni diversi, studiati con diversi tipi di spettroscopie: spettroscopia elettronica (UV-Vis) spettroscopia vibrazionale (IR) 173

9 E fotone =hν con h = Js 1. radiazione nel visibile (Vis): radiazione con λ=530 nm (luce verde) ha frequenza ν=5.66x10 15 s -1 energia di un fotone di luce a 530 nm: 3.75x10-15 J energia di una mole di fotoni: circa 225 KJ/mol stesso ordine di grandezza dell energia elettronica ( kj/mol) radiazione nel visibile interagisce con la parte elettronica e provoca variazioni di energia elettronica nelle molecole, studiate con spettroscopia elettronica 2. radiazione nell infrarosso (IR): radiazione con λ=3000 nm ha frequenza ν=9.99x10 13 s -1 energia di un fotone di luce a 2000 nm: 6.62x10-20 J energia di una mole di fotoni: circa 40 KJ/mol stesso ordine di grandezza dell energia vibrazionale (5-60 kj/mol) radiazione nell IR interagisce con la parte vibrazionale e provoca variazioni di energia vibrazionale nelle molecole, studiate con spettroscopia vibrazionale 174

10 2. radiazione nelle microonde (MW): radiazione con λ=1cm ha frequenza ν=3.00x10 10 s -1 energia di un fotone di luce a 1 cm: 1.99x10-20 J energia di una mole di fotoni: circa 0.01 KJ/mol stesso ordine di grandezza dell energia rotazionale radiazione nelle MW interagisce con la parte rotazionale e provoca variazioni di energia rotazionale nelle molecole, studiate con spettroscopia rotazionale ecco perché il forno a microonde scalda 175

11 Caratteristiche generali della spettroscopia L interazione tra una radiazione elettromagnetica e la materia può generare diversi fenomeni: assorbimento della radiazione, emissione della radiazione, diffusione della radiazione (scattering), fotoionizzazione, reazioni fotochimiche, Saranno discussi solo i fenomeni di assorbimento e di emissione in relazione alle spettroscopie di Assorbimento / emissione UV-VIS 176 Assorbimento IR

12 Condizioni di risonanza La radiazione elettromagnetica viene assorbita/emessa solo se l energia di un suo fotone è pari alla differenza di energia tra due stati della molecola in esame (risonanza): hν = E n E m = E energia hν E n E m La condizione hν = E non è sufficiente perché si abbia assorbimento o emissione: devono essere rispettate anche le regole di selezione dettate dall interazione radiazione-molecola nella transizione. Le varie spettroscopie si differenziano per la natura dei due stati coinvolti nella interazione con la radiazione. 177

13 Assorbimento schema rudimentale di uno spettrofotometro per misure di assorbimento Monocromatore (prisma o reticolo) I 0 I campione rivelatore fenditura lampada fenditura : radiazione monocromatica con lunghezza d onda λ 178

14 Sorgente Monocromatore (prisma, reticolo) fenditura Solvente Soluzione λ I 0 ( ) λ I( ) I0( λ) A ( λ) = log10 I( λ) Rivelatori di intensità luminosa (detector) specchi 179

15 Frazione di fotoni trasmessi (non assorbiti): Trasmittanza T I / I 0 Trasmittanza percentuale: %T 100T = 100 I / I 0 %T 100 : trasmittanza totale = assorbimento nullo %T 0 : trasmittanza nulla = assorbimento totale Assorbimento misurato dall assorbanza A (adimensionale) A log 10 T = log I(λ) /log I 0 (λ) - I = I 0 : T =1 A = 0 - I < I 0 : 0 T<1 A>0 Spettri di assorbimento: A (o T) in funzione di λ (o ν) 180

16 esempio: assorbimento dei pigmenti responsabili del light-harvesting nella fotosintesi 181

17 Misure di intensità: legge di Lambert-Beer Caso particolare di un soluto disciolto in un solvente che non assorbe la radiazione (in un dato campo di frequenze): legge di Lambert-Beer A(λ)=ε(λ)l c l : percorso ottico = distanza percorsa dalla radiazione nel campione (normalmente misurato in cm) c : concentrazione (moli/litro) ε (λ ) : coefficiente di estinzione molare (litro/moli cm), dipende dalla lunghezza d onda, ma non dalla concentrazione (o da l ) I 0 campione 0 l x 182

18 Derivazione Dato un fascio di radiazione elettromagnetica monocromatica con intensità iniziale I 0, sotto le seguenti assunzioni: - il fascio viaggia parallelo ad un asse di riferimento (x) - si possa definire una intensità locale funzione della distanza I(x) - l'attenuazione di intensità di sia proporzionale all intensità I, alla concentrazione del campione c, e al cammino infinitesimo dx attraverso un certo coefficiente di proporzionalità K si ottiene la seguente equazione differenziale: di(x) dx = KcI(x) Kcdx = di(x) = d ln I(x) I ln I(x) = ln! I(0) Kcx I 0 per ln I(l) I 0 x = l = Kcl I(l) A = log 10 = 1 I(l) ln = K cl I I 0! 2.3 ε 183

19 Spettroscopia UV-VIS (elettronica): visione molecolare Spettri UV-VIS prodotti da transizioni tra orbitali molecolari degli elettroni. Le transizioni che richiedono minore energia coinvolgono gli orbitali chiamati HOMO e LUMO: HOMO = highest occupied molecular orbital LUMO = lowest unoccupied molecular orbital Assorbimento di un fotone UV-VIS da parte di una molecola: promozione di un elettrone dall HOMO al LUMO. hν LUMO HOMO energia 184

20 Singoletti, Tripletti e Regole di selezione Gli elettroni possono avere spin +1/2 (α) o spin -1/2 (β). In un orbitale (atomico o molecolare) ci possono essere al massimo due elettroni con spin opposto. Per due elettroni su due orbitali diversi si possono avere: 1) Stati di Singoletto: i due elettroni più esterni hanno spin antiparallelo quindi lo spin totale è nullo. 2) Stati di Tripletto: i due elettroni più esterni hanno spin parallelo quindi lo spin totale è pari ad 1. LUMO HOMO LUMO HOMO Il passaggio da Singoletto a Tripletto non può essere indotto da assorbimento di radiazione, che non è in grado di cambiare lo stato di spin degli elettroni. Regola di selezione per le transizioni elettroniche : S 0 S n Lo stato fondamentale nella maggioranza delle molecole è un Singoletto indicato come S 0. L assorbimento di radiazione porta dallo stato fondamentale S 0 allo stato eccitato di singoletto S n. 185

21 abs assorbimento stati eccitati fluo fosf S n S 2 S 1 conversione interna (rilassamento) inter-system crossing T 1 λ (nm) S 0 emissione (fluorescenza) emissione (fosforescenza) stato fondamentale 186

22 187

23 In ogni stato elettronico, sia fondamentale che eccitato, esistono diversi livelli vibrazionali. Quindi le transizioni elettroniche sono accompagnate da transizioni vibrazionali (transizioni vibroniche o vibro-elettroniche) Stato Eccitato S 1 ν 0 ν 1 ν 2 Stato Fondamentale S 0 ν 2 ν 1 ν 0 Le bande di assorbimento sono la somma di picchi corrispondenti a transizioni dallo stato fondamentale a diversi livelli vibrazionali dello stato eccitato. 188

24 189

25 possibili tipi di vibrazioni molecolari Stretching simmetrico Stretching asimmetrico Scissoring Rocking Wagging Twisting 190

26 Symmetric Stretch cm -1 CF 4 Asymmetric Stretch cm -1 Symmetric Bend cm -1 Asymmetric Bend cm

27 Altri filmati sulle vibrazioni di specifiche molecole possono essere trovati per esempio: 192

28 ogni modo di vibrazione può essere assimilato al moto di compressione/ espansione di una molla che colleghi due corpi: La frequenza con cui la molla si comprime e si espande dipende dalla costante di forza della molla stessa e dalle masse dei due corpi (legge di Hooke). Analogamente, la frequenza di oscillazione di un modo vibrazionale di una molecola dipende dalla forza del legame (analogia con la costante di forza della molla) e dalla massa degli atomi che si muovono. 193

29 La frequenza di vibrazione è quindi tipica per certi atomi e gruppi funzionali. La spettroscopia IR è usata per identificazione di composti ( finger prints ) o per controllarne la purezza. Di seguito sono riportate le frequenze di assorbimento infrarosso caratteristiche dei gruppi funzionali: 194

30 esano CH 3 -(CH 2 ) 4 -CH cm -1 stretching dei legami C-H 1460 cm -1 bending del CH2 e bending asimmetrico del CH cm -1 deformazione simmetrica del CH3 195

31 1-esanolo CH 3 -(CH 2 ) 4 -CH 2 -OH 1460 cm -1 bending del CH2 e bending asimmetrico del CH cm -1 deformazione simmetrica del CH3 stretching O-H forma legami a idrogeno (una forte, larga banda a 3330 cm -1 ) 2900 cm -1 stretching dei legami C-H 1060 cm -1 Stretching C-O 196