S P E T T R O S C O P I A. Dispense di Chimica Fisica per Biotecnologie Dr.ssa Rosa Terracciano

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1 S P E T T R O S C O P I A

2 SPETTROSCOPIA I PARTE Cenni generali di spettroscopia: La radiazione elettromagnetica e i parametri che la caratterizzano Le regioni dello spettro elettromagnetico Interazioni tra energia radiante e materia Spettroscopia di assorbimento Spettroscopia di emissione Spettroscopia UV-Visibile

3 L A S P E T T R O S C O P I A Il nome spettroscopia deriva dal latino spectrum che vuol dire immagine... Questa disciplina racchiude in sé l insieme delle tecniche, dette appunto spettroscopiche attraverso le quali è possibile risalire ad alcune proprietà dei corpi o delle molecole. La spettroscopia ci da informazioni sulle proprietà strutturali dei corpi, studiando l interazione della materia con l energia elettromagnetica.

4 L A S P E T T R O S C O P I A LA RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA Dalla fisica sappiamo che una carica elettrica in movimento produce una radiazione eletromagnetica. Dalla meccanica quantistica essa ha una doppia e contraddittoria natura: corpuscolo e onda. La luce, le microonde, i raggi X, etc sono diversi tipi di radiazioni elettromagnetiche.

5 LA RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA E B λ Un onda è caratterizzata dai seguenti parametri: frequenza ν rappresenta il numero di oscillazioni descritte nell unità di tempo, si misura in herz; lunghezza d onda λ che è data dalla distanza tra due successivi massimi o minimi e si misura in genere in m, mm, micron, nanometri. i vettori E e B che rappresentano rispettivamente il campo elettrico e il campo magnetico associati all onda.

6 LA RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA L energia di un quanto è data dalla relazione: E=hν da cui si evince che l energia è direttamente proporzionale alla sua frequenza; h è la costante di Planck, 6.625x10-27 erg sec E= hc λ c è la velocità della luce Quanto è maggiore la lunghezza d onda di una radiazione, tanto minore è l energia ad essa associata.

7 LA RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA La luce è quella parte dello spettro elettromagnetico a cui è sensibile l occhio umano, caratterizzato da lunghezze d onda che vanno da 400 nm a 700 nm. Le lunghezze d onda della luce visibile sono in relazione con i colori che noi percepiamo.

8 Le regioni dello spettro elettromagnetico Lo spettro della luce visibile I sette colori dell'arcobaleno: Rosso, Arancio, Giallo, Verde, Blu, B Indaco, Viola

9 Regione dello spettro Radio Lo spettro elettromagnetico Lo spettro elettromagnetico di una radiazione è la distribuzione in energia (o in lunghezza d'onda o in frequenza) dell'intensità di quella radiazione elettromagnetica. Le regioni dello spettro elettromagnetico Lunghezza d onda (Å) >10 9 Lunghezza d onda (cm) >10 Frequenza (Hz) <3x10 9 Energia (ev) <10-5 Microonde x10 9-3x Infrarosso x10-5 3x x Visibile x x10-5 4x x Ultravioletto x x x Raggi X x x Raggi gamma <0.1 <10-9 > 3x10 19 > 10 5 L'unità di misura "ev" si legge elettron-volt ed è tipicamente usata per misurare le energie implicate nella fisica atomica. La definizione di ev è la seguente: 1 ev è l'energia acquistata da un elettrone che percorre una distanza di 1 metro in un campo elettrico generato da una differenza di potenziale di 1 volt.

10 L A S P E T T R O S C O P I A INTERAZIONI TRA ENERGIA RADIANTE E MATERIA Quando una radiazione elettromagnetica atraversa la materia vi è sempre una interazione: la radiazione trasmessa può essere meno intensa di quella incidente (assorbimento), può vibrare su di un piano diverso (polarizzazione) può assumere diverse direzioni di propagazione (riflessione, rifrazione) razione) può viaggiare con velocità minore. Tutto ciò dipende dal fatto che LA MATERIA E COSTITUITA DA CARICHE IN MOVIMENTO che risentono delle perturbazioni di un campo elettromagnetico.

11 INTERAZIONI TRA ENERGIA RADIANTE E MATERIA Per la determinazione della struttura di atomi e di molecole si usano apparecchiature che sfruttano quasi tutte le radiazioni dello spettro elettromagnetico. Il passaggio di un atomo o molecola da uno stato energetico ad un altro è definito TRANSIZIONE. L energia interna di una molecola è la somma di diversi contributi: E= E tras + E rot + E vib +E e + E n dove ogni singolo contributo energetico è quantizzato e corrisponde a valori di energia paragonabili alle energie delle differenti zone dello spettro elettromagnetico.

12 INTERAZIONI TRA ENERGIA RADIANTE E MATERIA TRANSIZIONI TRASLAZIONALI per avere transizioni di questo tipo la materia dovrà interagire con le microonde. TRANSIZIONI VIBRAZIONALI E ROTAZIONALI corrispondono a interazioni di radiazioni IR con la materia. TRANSIZIONI ELETTRONICHE eccitazione degli elettroni di valenza (Visibile e UV) ed elettroni di gusci più interni (RX).

13 INTERAZIONI TRA ENERGIA RADIANTE E MATERIA Le molecole, gli atomi, gli elettroni, tendono a disporsi nello stato fondamentale; Quando ricevono energia, possono fare un salto quantico sui livelli energetici superiori se l energia ricevuta corrisponde alla differenza fra stato fondamentale e stati eccitati. L energia somministrata può essere: ELETTRICA TERMICA ELETTROMAGNETICA Una volta eccitati le molecole, gli atomi o gli elettroni ritornano Allo stato fondamentale sottoforma di RADIAZIONE o CALORE

14 SPETTROSCOPIA DI EMISSIONE Se la frequenza della radiazione emessa corrisponde alla differenza di energia tra lo stato eccitato e lo stato fondamentale si parla di SPETTROSCOPIA DI EMISSIONE

15 SPETTROSCOPIA DI EMISSIONE

16 SPETTROSCOPIA DI ASSORBIMENTO Se un sistema viene eccitato con energia elettromagnetica di una certa frequenza ν e viene poi ceduta sottoforma di energia termica si ha la SPETTROSCOPIA DI ASSORBIMENTO

17 SPETTROSCOPIA D ASSORBIMENTO

18 SPETTROSCOPIA RAMAN Questa tecnica si basa sull Effetto Raman: in questo caso si verifica che l energia elettromagnetica assorbita è rilassata interamente in forma di radiazione con frequenza diversa. SPETTROSCOPIA NMR Si basa sullo studio delle perturbazioni dei livelli energetici nucleari ottenuti con forti campi magnetici.

19 SPETTROSCOPIA UV-VISIBILE Quando un composto contenente un gruppo insaturo è attraversato da una radiazione elettromagnetica della regione del visibile o UV, esso assorbe una certa quantità di energia. L energia assorbita è impegnata dalle molecole per promuovere gli elettroni da orbitali ad energie più basse su orbitali a più alta energia. Per misurare la quantità di luce assorbita a ciascuna lunghezza d onda si usano gli SPETTROFOTOMETRI nel visibile e nell ultravioletto.

20 SPETTROSCOPIA UV-VISIBILE Nello SPETTROFOTOMETRO un raggio di luce attraversa una cella trasparente contenente il campione da analizzare; un altro raggio di riferimento attraversa una cella identica alla precedente che non contiene il composto. Lo strumento riesce a confrontare continuamente l intensità dei due raggi a ciascuna lunghezza d onda. Se il composto assorbe la radiazione di una certa lunghezza d onda, l intensità del raggio campione I S è minore di quella del raggio di riferimento I R. Lo strumento registra questa differenza a tutte le lunghezze d onda e disegna un grafico che si chiama Spettro di Assorbimento.

21 Schema di un semplice spettrofotometro Raggio di riferimento Monocromatore Registratore I R I S Sorgente di radiazioni elettromagnetiche Tubo campione Fotometro

22 Altro schema a blocchi di uno spettrofotometro

23 SPETTROSCOPIA UV-VISIBILE Lo spettro di assorbimento è un diagramma in cui sono riportati sulle ordinate i valori di assorbanza (A) =log(i R /I S ) e in ascisse le lunghezze d onda di tutto l intervallo esaminato. Legge di Lambert Beer A= ε l C ε = coefficiente di estinzione molare (M -1 cm -1 ), l = lunghezza della cella (cm) C = concentrazione molare (M)

24 Spettro UV del ciclopentanone in etanolo 1,0 O A 0,5 0, Lunghezza d onda (nm)