Spettrofotometria. Le onde luminose consistono in campi magnetici e campi elettrici oscillanti, fra loro perpendicolari.

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Enrichetta Rubino
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1 Spettrofotometria. Con questo termine si intende l utilizzo della luce nella misura delle concentrazioni chimiche. Per affrontare questo argomento dovremo conoscere: Natura e proprietà della luce. Cosa accade quando le molecole assorbono luce. Cosa sono le transizioni elettroniche, vibrazionali e rotazionali. Cosa accade all energia assorbita. La legge di Lambert e Beer e i casi in cui non è valida la legge. Come si procede all analisi qualitativa in assorbimento. Come si procede per un analisi quantitativa e scelta della lunghezza d onda. Schema a blocchi di uno spettrofotometro. Retta di lavoro e retta di regressione. Le principali caratteristiche delle componenti strumentali. PROPRETÀ DELLA LUCE La luce è descritta sia in termini di particelle (corpuscoli di energia) che di onde. Le onde luminose consistono in campi magnetici e campi elettrici oscillanti, fra loro perpendicolari. Per ragioni di semplicità, nella figura è rappresentata un'onda polarizzata su di un piano. n questa figura, il campo elettrico è situato sul piano xy e quello magnetico sul piano xz. è la distanza tra due massimi. La frequenza v è il numero di oscillazioni complete che l'onda compie in un secondo. L unità di frequenza è s -1. Una frequenza al secondo è detta anche hertz (Hz) Una frequenza al secondo di 10 6 s -1 si dice anche di 10 6 Hz o di un megahertz.

La legge di Lambert e Beer e i casi in cui non è valida la legge. Come si procede all analisi qualitativa in assorbimento. Come si procede per un analisi quantitativa e scelta della lunghezza d onda.

2 La relazione tra frequenza e lunghezza d'onda è (20.1) dove C è la velocità della luce (2, O" m/s nel vuoto). n qualsiasi altro mezzo diverso dal vuoto, la velocità della luce è c / n, dove n è l'indice di rifrazione del mezzo. Poiché n è sempre 1, la luce viaggia più lentamente attraverso mezzi diversi dal vuoto. Per quanto riguarda l energia associata alla luce, essa trasporta energia sotto forma di particelle dette fotoni o quanti. Ciascun fotone trasporta una energia pari a:! " # h = costante di Planck ( 6, J.s) ν = frequenza poiché v = c/ E = h c / $ % & ' ñ dove ñ = 1 / è detto numero d onda. Altri parametri che caratterizzano un onda sono l ampiezza A che è l ampiezza massima raggiunta dalla cresta dell onda. L intensità di una radiazione è la quantità di energia che nell unità di tempo perviene sull unità di superficie di un ostacolo. = K A 2 K è una costante di proporzionalità. Cosa accade quando le molecole assorbono luce. Quando una molecola assorbe un fotone passa necessariamente ad uno stato energetico più eccitato. Quando emette un fotone la sua energia si riduce di una uguale quantità.

Poiché n è sempre 1, la luce viaggia più lentamente attraverso mezzi diversi dal vuoto.

3 Generalmente questa energia assorbita viene ceduta non sotto forma di radiazione elettromagnetica ma di calore, come vedremo in seguito. L energia assorbita da una molecola può provocare una o due o tutte e tre le seguente transizioni: ) una transizione elettronica * una transizione vibrazionali dallo stato fondamentale a uno eccitato * una transizione rotazionale n generale quando una molecola assorbe luce di energia sufficiente a provocare una transizione elettronica, possono verificarsi anche transizioni vibrazionali e transizioni rotazionali. Le transizioni elettroniche le transizioni vibrazionali le transizioni rotazionali sono quantizzate ( vedi figura). Esse possono assumere solo determinati valori di energia. Per una molecola biatomica: ϖ = è la frequenza del moto vibratorio Energia vibrazionale: E v = hϖ ( ν ) ν = n. quantico vibrazionale (ν = 1,2,3) Energia rotazionale: E R = biatomica; 2 h 8π 2 h = cost. Planck ( R+1) R = momento di inerzia della molecola = (m 1.m 2 /m 1 +m 2 ) r 2 ; m 1 e m 2 sono le masse atomiche ed r è la distanza fra i due atomi R = n. quantico rotazionale (R = 1,2,3.) Per i livelli elettronici non si possono dare formule altrettanto generali. Ogni tipo di atomo richiede un impostazione di calcolo e il calcolo dell energia richiede formule complesse. Si può dire comunque che le energie coinvolte nelle transizioni elettroniche sono più grandi rispetto a quelle vibrazionali e a quelle rotazionali e cadono di solito nel campo dell ultravioletto della radiazione elettromagnetica. (

* una transizione rotazionale n generale quando una molecola assorbe luce di energia sufficiente a provocare una transizione elettronica, possono verificarsi anche transizioni vibrazionali e

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4 , Livelli vibrazionali S 1 H JKL M JJN O PO Q Q R S T UV S O V V UQ W Q S Livelli rotazionali : ;< = B C F C G@ S 0 Livelli rot. Livello elettronico fondamentale Cosa accade all energia assorbita? l diagramma che segue mostra alcuni processi fisici che si verificano quando una molecola ha assorbito un fotone passando dallo stato elettronico fondamentale S 0 allo stato S 1. Le frecce dritte -. / / / / 3 5 fotoni, quelle ondulate 9 rappresentano transizioni senza emissioni di radiazioni. Generalmente il primo processo che segue tale assorbimento è: 1. rilassamento vibrazionale. Tale transizione, senza emissione di radiazione, avviene ad esempio cedendo energia alle altre molecole o ad esempio al solvente attraverso collisioni. n pratica l energia del fotone assorbito viene ceduta in tutto il mezzo. +

l diagramma che segue mostra alcuni processi fisici che si verificano quando una molecola ha assorbito un fotone passando dallo stato elettronico fondamentale S 0 allo stato S 1. Le frecce dritte -.

5 2. conversione interna. La molecola può entrare in uno stato vibrazionale molto eccitato di S 0 che si trova alla stessa energia di S 1. Da questo stato eccitato la molecola può rilassarsi ritornando allo stato vibrazionale fondamentale e trasferire la sua energia a molecole vicine attraverso collisioni. 3. conversione intersistema. La molecola può passare da S 1 ad un livello vibrazionale eccitato, (conversione interna). Si ha un rilassamento vibrazionale senza emissione di radiazioni, la molecola si trova ad un livello vibrazionale più basso. Da qui può subire un ulteriore rilassamento vibrazionale e tornare allo stato S 0 senza emissione di radiazione, oppure ritornare allo stato S 0 con emissione di radiazione, (fosforescenza). 4. fluorescenza normale. È una transizione con emissioni di radiazioni tra stati con lo lo stesso n. quantico di spin. La maggior parte delle molecole ritorna allo stato fondamentale attraverso processi che non comportano emissioni di radiazioni. a Abbiamo visto ora una relazione teorica Y fra materia ed radiazione assorbita. Legge Di Lambert Beer. Una legge che lega la concentrazione di una soluzione alla quantità di luce assorbita. A = a b c A = assorbanza (è un valore adimensionale) X

La molecola può passare da S 1 ad un livello vibrazionale eccitato, (conversione interna).

6 a = coefficiente di estinzione o assorbività molare (M -1 cm -1 ) b= spessore liquido attraversato(generalmente espresso in cm) c = concentrazione (generalmente espressa moli/ litro, M) Per capire cosa è l assorbanza. Soluzione del Raggio monocromatico in entrata 0 campione s raggio in uscita 0 = intensità del raggio monocromatico in arrivo. s = intensità del raggio monocromatico in uscita. l rapporto s è definito trasmittanza T: T = s ed è un numero 0 T Una grandezza di maggiore utilità è l Assorbanza A. A = log 10 ( 0 s ) = - log T L assorbanza A viene chiamata anche estinzione a) quando non vi è assorbimento: 0 = 1 ne consegue che A = 0 b) se viene assorbito il 90% della luce si ha: 0 10 = s 100 c) se viene assorbito il 99% della d luce si ha: 0 1 = s 100 s ne consegue che A = 1 ne consegue che A = 2 La ragione di tale importanza è che questa grandezza (A) è direttamente proporzionale alla concentrazione della specie che assorbe la luce nel campione, secondo l equazione A = a b c vista prima. Si potrebbe anche scrivere: A [ = a [ b c della luce. in quanto i valori di A e a dipendono dalla lunghezza d onda Z

l rapporto s è definito trasmittanza T: T = s ed è un numero 0 T 1. 0 0 Una grandezza di maggiore utilità è l Assorbanza A.

7 Uno spettro di assorbimento non è altro che un grafico che mostra come varia A in funzione della lunghezza d onda. La parte della molecola che assorbe la luce è detta cromoforo. Una sostanza che assorbe nel visibile è colorata. \

onda. La parte della molecola che assorbe la luce è detta

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