PROGETTO Luce come strumento per leggere le molecole 2009 LICEO SCIENTIFICO G. FRACASTORO VERONA SCHEDE DI LABORATORIO SAGGI ALLA FIAMMA (SPETTROSCOPIA ATOMICA) Il cielo notturno è pieno di colori i colori sono quelli delle stelle, del gas interstellare luminoso, o di una rara supernova. i fuochi d artificio sono rossi, blu, gialli. la fiamma del fornello si colora di giallo quando fuoriesce l acqua salata della pasta.. Qual è l origine di tutti questi colori che caratterizzano fenomeni diversi? C è una interpretazione comune che spiega lo sviluppo di queste colorazioni? Il saggio alla fiamma è una tecnica analitica che permette di avere indicazioni sulla composizione di una miscela, o la conferma della presenza di alcuni cationi metallici che, riscaldati sulla fiamma, producono una colorazione caratteristica. SCOPO In questa esperienza imparerai a conoscere la colorazione tipica impartita alla fiamma da alcuni metalli. PRINCIPI TEORICI E noto dalla teoria atomica che gli elettroni di un atomo possono occupare diversi livelli energetici, il più stabile dei quali caratterizzato da minor contenuto energetico, è detto stato fondamentale. Quando gli atomi o le molecole vengono sottoposti ad eccitazione per effetto di energia termica, gli elettroni saltano dallo stato fondamentale, caratterizzato da una quantità di energia ben precisa, E 1, a uno stato eccitato, caratterizzato da un diverso contenuto energetico ben preciso, E 2. Poiché questo secondo stato non è stabile, gli elettroni tendono a tornare nello stato iniziale (fondamentale) e in questo ritorno emettono, sotto forma di radiazione elettromagnetica, quella stessa quantità di energia assorbita nel passaggio dal livello E 1 a quello E 2. L energia di transizione è: E 2 - E 1 = h ν dove h è la costante universale di Planck, che vale 6,626 10-34 J s, e ν è la frequenza della radiazione emessa. Poiché ogni elemento ha un numero di livelli energetici ben definito e quantizzato, si ha anche un numero ben definito di radiazioni emesse e caratterizzate ciascuna da un ben preciso valore di ν, e quindi di λ. Nel campo del visibile, ad ogni λ corrisponde una radiazione di un ben determinato colore. APPARECCHIATURA Bacchetta di vetro con filo di Ni-Cr, (ansa di metallo) Bunsen Provette o tubicini da saggio Piastra di porcellana o vetrini da orologio 1
REAGENTI NaCl, LiCl, KCl, CaCl 2, BaCl 2, SrCl 2, CuCl 2 HCl 6 M PROCEDIMENTO Mettere una piccola quantità di ciascun sale sulla piastra di porcellana o sul vetrino da orologio Prelevare con la provetta qualche ml di HCl 6M, immergervi il filo di Ni-Cr e porlo sulla fiamma per pulirlo, ripetere l operazione più volte finché non appare più alcuna colorazione della fiamma. Bagnare il filo nell acido, raccogliere un piccolo cristallo di un sale e metterlo sulla fiamma, prima nella zona bassa (meno calda T 300 400 C), poi portarlo verso l alto (zona più calda T 1400 1500 C). Osservare la colorazione assunta dalla fiamma ed annotarla in una tabella. Provare, uno alla volta, tutti i sali ed annotare la colorazione da essi prodotta. Ripetere la prova con una miscela di NaCl e KCl ed osservare la colorazione prodotta con e senza vetrino blu al cobalto NB: il cloruro di sodio va provato per ultimo in quanto la colorazione che dà alla fiamma è molto persistente e quindi la pulizia del filo risulta difficoltosa. La presenza di residui di sodio sul filo impedirebbe una corretta visione del colore prodotto dagli altri elementi. RACCOLTA DATI Sale (formula) Colore della fiamma Colore con vetrino blu al cobalto CaCl 2 BaCl 2 SrCl 2 CuCl 2 LiCl KCl NaCl XXXXXXXXXXXX XXXXXXXXXXXX XXXXXXXXXXXX XXXXXXXXXXXX Aspetto del colore emesso (sprazzi, persistenza ) DOMANDE Perché si usa HCl per trasferire i sali sulla fiamma? Perché ogni elemento emette radiazioni di colore caratteristico? Perché gli atomi non emettono spontaneamente colore? Perché si osserva colore solo in certe zone della fiamma? Se si usassero sali diversi dai cloruri, si osserverebbero gli stessi colori? Motiva la risposta 2
SOLUZIONI DI SOSTANZE COLORATE E LORO SPETTRI DI ASSORBIMENTO (SPETTROSCOPIA MOLECOLARE) SCOPO Verificare che il colore di una sostanza in soluzione, così come lo percepisce l occhio umano, può variare con la concentrazione senza che lo spettro di assorbimento subisca variazioni. Verificare che sostanze di tipo e colore diverso presentano spettri di forma diversa con massimi di assorbimento a lunghezze d onda diverse. PRINCIPI Una soluzione di solfato di rame viene diluita più volte e si registrano gli spettri delle diverse soluzioni, osservando anche il diverso colore di ciascuna. (Lo ione Cu 2+ con acqua forma lo ione complesso Cu(H 2 O) 4 2+ ) Alla soluzione di solfato di rame viene aggiunta ammoniaca, si osserva il colore e si registra lo spettro. (Lo ione Cu 2+ con ammoniaca forma lo ione complesso Cu(NH 3 ) 4 2+ ) Si osserva il colore della soluzione di metilarancio, si registra il suo spettro e lo si confronta con quello del solfato di rame. APPARECCHIATURA Spettrofotometro doppio raggio Cuvette di vetro da 1 cm Matracci tarati da 50 ml, Buretta da 50 ml (div 1/10) REAGENTI Soluzione di solfato di rame pentaidrato CuSO 4 5 H 2 O 0,05 M Soluzione di solfato di rame (in ammoniaca 1M) 0,0125 M Soluzione di metilarancio 0,1% PROCEDIMENTO Porre 20 15 10 ml di soluzione di solfato di rame in matracci da 50 ml e portare a volume con acqua distillata, si ottengono altre tre soluzioni via via più diluite. In un matraccio da 50 ml aggiungere 25 ml della soluzione di solfato di rame in ammoniaca e portare a volume con acqua distillata (il ph deve essere molto basico) Preparare la soluzione di metilarancio diluendo con acqua distillata quello allo 0,1% (1 ml portato a volume in un matraccio da 100 ml). Osservare e descrivere il colore di ciascuna delle soluzioni. Registrare gli spettri nell intervallo 400 900 nm 3
DATI sostanza 1 CuSO 4 Concentrazione molare Assorbanza alla λ massima Coefficiente di estinzione molare (ε) Osservazioni sul colore 2 CuSO 4 3 CuSO 4 4 CuSO 4 Cu(NH 3 ) 4 2+ metilarancio GUIDA ALLE OSSERVAZIONI L intensità del colore delle soluzioni di solfato di rame si attenua con la diluizione L aggiunta di ammoniaca provoca una intensificazione del colore della soluzione di solfato di rame Il colore della soluzione di metilarancio è------------------------ DOMANDE Calcolare la concentrazione delle soluzioni diluite di solfato di rame Quali considerazioni si possono fare sul colore osservato e sul colore assorbito dalle soluzioni delle tre diverse sostanze? A quale lunghezza d onda si trova il punto di massimo assorbimento nei tre casi? Cosa succede al punto di massimo assorbimento quando la soluzione di solfato di rame viene diluita? Potrebbe essere utile sfruttare la lunghezza d onda del punto di massimo assorbimento per effettuare una determinazione quantitativa? Calcolare ε per il solfato di rame e per il metilarancio (legge di Lambert-Beer) e spiegare perché uno è piccolo e l altro è grande. 4
ANALISI QUALITATIVA DEGLI OLII D OLIVA CON SPETTROFOTOMETRIA UV SCOPO Questo tipo di analisi può fornire elementi utili per la valutazione qualitativa della composizione e della qualità di un olio, oltre a evidenziare particolari trattamenti industriali ai quali è stato sottoposto (ad esempio di rettifica) o svelare sofisticazioni quali l addizione ad olio d oliva vergine di olii rettificati. PRINCIPIO Questo metodo si fonda sull assorbimento caratteristico dei sistemi dienici e trienici nell UV. Mentre il doppio legame isolato ed i sistemi di doppi legami non coniugati (presenti nei trigliceridi dell olio d oliva) non presentano bande di assorbimento caratteristiche nella zona compresa tra 210 e 300 nm, i sistemi coniugati mostrano il seguente comportamento: -C=C-C=C- sistema dienico con una banda a 232 nm -C=C-C=C-C=C- sistema trienico con una banda a 268 nm Negli olii di oliva vergini ed in buono stato di conservazione, sono presenti soltanto doppi legami isolati, e sistemi di due o tre doppi legami non coniugati, relativi agli acidi oleico (un doppio legame in posizione 9), linoleico (2 doppi legami in posizione 9, 12) e linolenico (3 doppi legami in posizione 9, 12, 15). Pertanto nello spettro UV essi mostrano esclusivamente una intensa banda intorno ai 210 nm dovuta ai doppi legami etilenici e carbonilici. Non si potranno invece osservare bande di assorbimento intorno ai 232 nm e 268 nm in quanto sono assenti i sistemi coniugati. E bene precisare che l assorbimento a 232 nm e a 268 nm non è dovuto soltanto ai sistemi dienici e tienici, ma anche ai suoi prodotti di ossidazione, che si formano negli olii, ad esempio, in fase di irrancidimento. Negli olii rettificati, i trattamenti chimici subiti producono delle trasformazioni che comportano lo spostamento dei doppi legami con formazione di sistemi coniugati che assorbono a 232 e 268 nm. La misura dell assorbanza alle due sopraccitate lunghezze d onda permetterà di accertare negli olii la presenza di sistemi coniugati e di riconoscere quindi se si tratti di olio vergine o di olio rettificato. APPARECCHIATURA Spettrofotometro UV-VIS Cuvette di quarzo Matracci da 100 ml (meglio 50 ml) REAGENTI Isoottano (2,2,4 trimetilpentano) Vari tipi di olio in commercio PROCEDIMENTO Preparare nei matracci da 100 ml ( o 50 ml) soluzioni dei vari olii all 1% in isoottano (Del campione pesare esattamente circa 1,00 g nel matraccio da 100 ml (o 0,50g nel matraccio da 50 ml)) e portare a volume con il solvente; omogeneizzare. La soluzione deve risultare limpida, altrimenti si deve filtrare rapidamente su carta) Con la soluzione ottenuta riempire la cuvetta di quarzo e leggere l assorbanza (A) usando come riferimento il solvente, alle lunghezze d onda di 232, 262, 268, 274 nm Riportare i dati in tabella DATI E CALCOLI TIPO DI OLIO A 232 A 262 A 268 A 274 5
Calcolare il valore dei coefficienti di estinzione (estinzione specifica) K λ = A λ /c d (K λ = estinzione specifica alla lunghezza d onda A λ = assorbanza misurata alla lunghezza d onda c = concentrazione in grammi / 100 ml, d = spessore della cuvetta in cm) Calcolare il K = K 268 - (K 262 + K 274 )/2 TIPO DI OLIO K 232 K 262 K 268 K 274 K DOMANDE Confrontare i valori di K 232, K 268 e K ottenuti con quelli riportati nelle tabelle ufficiali, per verificare la categoria di appartenenza dell olio. LIMITI DI ASSORBIMENTO U.V. DEGLI OLII COMMESTIBILI Tipo di olio K 232 K 268 K Olio extra verg.d'oliva 3.0 0.18/0.20 0.01/0.010 Olio sopraff. verg.d'oliva 3.0 0.18/0.20 0.01/0.010 Olio fino verg. d'oliva 3.0 0.18/0.25 0.01/0.010 Olio vergine d'oliva 3.0 0.18/0.25 0.01/0.010 Olio di oliva rettificato 3.0/3.5 1.0/1.10 0.15/0.16 Olio di sansa di oliva 5.50/6.0 1.8/1.90 0.20 rett. Olio di oliva tagliato con 0.90 0.100/0.130 olio rettificato o olio vergine 2.80/3.30 Olio di sansa e di oliva 5.0/5.50 1.70 0.180 6
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Grafici di assorbimento tipici di categorie diverse di olio Olio extra vergine d oliva Olio di sansa e d oliva Olio di oliva 8
DETERMINAZIONE SPETTROFOTOMETRICA DEI NITRATI NELLE ACQUE MINERALI I nitrati presenti nelle acque derivano soprattutto dall inquinamento biologico dovuto agli agglomerati urbani e dai liquami provenienti dai rifiuti, dai fertilizzanti usati in agricoltura, dagli scarichi di automobili e dai processi di combustione. In condizioni normali, i nitrati vengono eliminati rapidamente nelle urine. Tuttavia, i nitrati rappresentano un pericolo per l uomo se messi in condizioni di essere ridotti a nitriti; questi, infatti, possono causare metaemoglobinemia (soprattutto nei bambini di età inferiore a tre anni e negli anziani). Inoltre, se reagiscono con alcune ammine, i nitriti possono dare origine a nitrosammine, che sono cancerogene. PRINCIPI Questo metodo può essere applicato solo a campioni che abbiano un contenuto di sostanze organiche molto basso, come le acque potabili. Dopo aver acidificato il campione, si misura l assorbanza rispettivamente a 220 nm (dove assorbono sia i nitrati che le sostanze organiche) e a 275 nm (dove assorbono solo le sostanze organiche) e poi si calcola l assorbanza netta: A = A 220 2 A 275 Questa relazione, puramente empirica, si basa sul presupposto che l assorbanza delle sostanze organiche a 220 nm sia il doppio di quella a 275 nm. Tuttavia, se l assorbanza a 275 nm supera del 10% l assorbanza a 220 nm, il metodo non può essere usato e fornisce risultati puramente indicativi. Interferenze I carbonati e l anidride carbonica, che interferiscono nell analisi, possono essere eliminati acidificando con acido cloridrico (HCl 1M) APPARECCHIATURA Spettrofotometro doppio raggio Cuvette di quarzo da 1 cm Matracci tarati da 50 ml, 0,5L e 1L Buretta da 25 ml (div 1/20) REAGENTI Soluzione standard concentrata di KNO 3 (200 mg/l espresso come azoto nitrico N-NO 3 ) Si deve calcolare la massa di nitrato di potassio da pesare per preparare 1 L della soluzione di KNO 3 (MM = 101,1029 g/mol) in cui siano presenti 200 mg di N (14,008 g/mol) Soluzione standard diluita di KNO 3 (10 mg/l azoto nitrico N-NO 3 )) Prelevare 25 ml della soluzione concentrata e diluirla a 500 ml con acqua distillata, in matraccio tarato. HCl 1M 9
PROCEDIMENTO Bianco reagenti Aggiungere a 50 ml di acqua distillata 1 ml di HCl 1M Retta di taratura Preparare 3 o 4 soluzioni con concentrazione da 1 a 4mg/L di azoto nitrico in matracci tarati da 50 ml versando da 1 a 20 ml di soluzione standard diluita, portare a volume e poi aggiungere 1 ml di HCl 1M. Agitare e misurare l assorbanza a 220 e 275 nm in cuvette di quarzo da 1 cm, contro il bianco reagenti. Costruire la retta di taratura ponendo in ascissa la concentrazione ed in ordinata l assorbanza netta (A) Campione Aggiungere a 50 ml di campione 1 ml di HCl 1M, agitare e determinare l assorbanza netta OSSERVAZIONI Se l assorbanza del campione è maggiore del limite superiore di linearità, diluire opportunamente il campione e poi aggiungere 1 ml di HCl 1M a 50 ml del campione diluito ELABORAZIONE DEI DATI Ricavare la concentrazione del campione dalla retta di taratura. A= K C mg/l (N-NO 3 ) DOMANDE Quanto KNO 3 è stato pesato per preparare la soluzione standard concentrata di azoto nitrico N-NO 3? Quanti ml di soluzione standard diluita sono stati aggiunti in ciascun matraccio per preparare le soluzioni per la retta di taratura? Quanto vale la concentrazione di azoto nitrico N-NO 3 nel campione? Quanto vale la concentrazione di nitrato nel campione? BIBLIOGRAFIA: parte del materiale è stato tratto da: ANALISI CHIMICA STRUMENTALE vol. B Cozzi, Protti, Ruaro, Ed. ZANICHELLI 10