Chimica Analitica e Laboratorio 2 Modulo di Spettroscopia Analitica
Introduzione ai metodi spettroscopici Doppia rappresentazione delle radiazioni elettromagnetiche (dualismo onda/corpuscolo): Ø onda elettromagnetica (natura ondulatoria) Ø fotoni, pacchetti discreti di energia (natura corpuscolare). La prima si adatta bene al mondo macroscopico (onda) e l'altra al mondo atomico e molecolare (fotoni). Holler, Skoog, Crouch, Chimica Analitica Strumentale, EdiSES. Cap. 6 2
Radiazione elettromagnetica Le radiazioni (onde) elettromagnetiche consistono nella simultanea propagazione nello spazio delle oscillazioni di un campo elettrico e di un campo magnetico. 3
Parametri di una radiazione elettromagnetica Lunghezza d onda (λ): distanza tra due massimi 4
Parametri di una radiazione elettromagnetica Lunghezza d onda (λ): distanza tra due massimi Ampiezza: altezza dei massimi (o minimi) 5
Parametri di una radiazione elettromagnetica Lunghezza d onda (λ): distanza tra due massimi Ampiezza: altezza dei massimi (o minimi) Frequenza (ν): numero di oscillazioni per secondo (Hz = 1 ciclo/s) 1 sec 6
Parametri di una radiazione elettromagnetica Lunghezza d onda (λ): distanza tra due massimi Ampiezza: altezza dei massimi (o minimi) Frequenza (ν): numero di oscillazioni in 1 secondo (Hz = 1 ciclo/s) Periodo (T): è il tempo occorrente per compiere una oscillazione completa (o per percorrere uno spazio pari a λ). Il periodo è l'inverso della frequenza (T=1/ν) e si misura in secondi. Velocità: dipende dal mezzo in cui si propaga la radiazione. 7
Parametri di una radiazione elettromagnetica Frequenza e lunghezza d'onda sono inversamente proporzionali: λ = c / ν L energia associata ad una radiazione è E = hν dove h è la costante di Plank h = 6.63 10-34 joules s 10
Radiazione elettromagnetica Una radiazione costituita da radiazioni di frequenza e lunghezza d'onda diverse viene definita policromatica È noto che quando un raggio di luce colpisce un prisma di quarzo, per effetto della rifrazione, viene disperso nelle sue componenti a differenti λ. 11
Radiazione elettromagnetica Una radiazione di una sola lunghezza d onda viene detta monocromatica. Gli angoli i ed r tra i raggi e la normale sono definiti di incidenza e di rifrazione. Dato che n 2 dipende dalla lunghezza d onda, nella rifrazione la luce bianca incidente si separa nelle sue componenti colorate. La radiazione rossa è la meno deviata, la violetta è la più deviata. 12
Interazione radiazione-materia La materia assorbe o emette una radiazione elettromagnetica, quando l energia ad essa associata è ΔE = E 1 E 0 = hν (h costante di Plank = 6.63 10-34 joules s )
Interazione radiazione-materia 14
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Spettrofotometria Alle diverse radiazioni visibili che differiscono per la loro lunghezza d onda (quindi per la loro diversa frequenza ed energia) corrispondono i diversi colori. 17 17
Interazione radiazione-materia La materia irradiata? assorbe energia? passa da un livello fondamentale a quelli a più alta energia? rilassa con cessione di energia 18
Interazione radiazione-materia Spettri atomici = Spettri a righe La relativa semplicità di questi spettri è dovuta al ridotto numero di stati energetici. Infatti per gli atomi avvengono solo transizioni elettroniche: uno o più elettroni dell atomo vengono eccitati ad un livello energetico più alto. 19
Spettro atomico 20
Orbitali molecolari Gli elettroni molecolari esterni assorbono energia radiante (UVvisibile) e passano da un orbitale di legame ad uno di antilegame. * σ σ n σ * * n π * π π 22
Transizioni σ σ* Sono caratterizzate da una differenza energetica molto elevata assorbimento sotto i 190 nm Questa regione spettrale è chiamata regione dell ultravioletto sottovuoto Per poter lavorare in questa regione è necessario l uso di strumenti che permettano di fare il vuoto lungo il cammino ottico costo elevato non esistono strumenti commerciali che prevedano la regione dell UV al di sotto dei 190 nm
Transizioni n σ* Transizioni che riguardano gli elettroni di non legame n, non coinvolti nella formazione di legami chimici caratteristiche degli atomi di azoto, ossigeno ed alogeni Meno energetiche di quelle σ σ*, danno luogo ad assorbimenti a lunghezze d onda tra i 190 e i 250 nm
Transizioni n π* Queste transizioni richiedono la presenza di gruppi funzionali insaturi oltre agli elettroni di non legame n bande caratteristiche di tipo n π* sono quelle del gruppo carbonilico che assorbe tra 270 e 290 nm Le transizioni n π* sono poco interessanti perché il valore di ε λ assume al massimo valori dell ordine di 100 cm -1 mol -1 L.
Transizioni π π* Queste sono le transizioni ad energia minore, caratteristiche dei sistemi π insaturi ε λ > 1000 cm -1 mol -1 L e può arrivare a 100000 cm -1 mol -1 L i gruppi più comuni caratterizzati da sistemi p insaturi, chiamati cromofori, sono C=C, C=O, C=N, NO 2 ed il gruppo fenile Una molecola che contenga un singolo gruppo cromoforo è caratterizzata da una banda, visibile o ultravioletta, con valori di λ M ed ε M caratteristici del gruppo cromoforo, in un dato solvente
Transizioni π π* Le transizioni π π* vengono generalmente suddivise in bande E (etileniche), caratteristiche dei sistemi π non coniugati che cadono a lunghezze d onda comprese tra 160 e 230 nm con ε M tra 10 3 e 10 4 K (bande di coniugazione) caratteristiche di sistemi π coniugati e di sistemi aromatici che possono trovarsi praticamente in tutto lo spettro UV-VIS tra 220 e 750 nm e sono caratterizzate da forti assorbimenti (ε M >10 4 ) B (benzeniche), tipiche dei sistemi aromatici, che cadono intorno ai 270 nm con valori di ε M tra 100 e 1000 cm -1 mol -1 L.
Orbitali d ed f Gli orbitali d dei metalli di transizione e quelli f degli attidini e dei lantanidi sono orbitali degeneri. Quando questi elettroni sono impegnati nella formazione complessi, per la teoria del campo cristallino, perdono la loro degenericità. 28
Orbitali d ed f Queste bande sono tipiche dei metalli di transizione e dei lantanidi, cioè di quei metalli che possiedono orbitali d ed f. La perturbazione prodotta sul sistema dei cinque orbitali degeneri d di un metallo di transizione dal campo dei leganti provoca una separazione dei livelli energetici non molto elevata, che spiega la posizione di queste bande nella regione del visibile. Sono proprio queste bande che impartiscono le colorazioni caratteristiche ai composti dei metalli di transizione. L azione del campo dei leganti sugli orbitali del metallo da luogo a schemi energetici che dipendono dalle diverse simmetrie di coordinazione attorno allo ione metallico. 29
Trasferimento di carica Nel caso del fenomeno di trasferimento di carica, l elettrone, acquistando energia elettromagnetica dalla radiazione, non passa ad un livello energetico superiore nella stessa molecola ma si porta su un livello energetico di un altra molecola L assorbimento della radiazione produce il trasferimento dell elettrone dal donatore all accettore. M + L - hν M L Lo stato eccitato è il risultato di un processo di ossidoriduzione interna. La forte variazione di momento elettrico di questo tipo di transizioni è la causa dei valori elevati di ε M di questo tipo di bande
Spettri molecolari L assorbimento molecolare è più complesso per il contributo dovuto alle: Transizioni vibrazionali Transizioni rotazionali E molecola = E nuclei + E elettr interni + E elettr legame + E vibr + E rot + E trasl Spettri a bande 31
Schema di uno spettrofotometro Holler, Skoog, Crouch, Chimica Analitica Strumentale, EdiSES. Cap. 7 Sorgente Mono cromatore Cella Rivelatore Rivelatore fluorescenza 34
Rivelatori di uno spettrofotometro Fototubi Fotodiodi
Fototubi Rivelatori di uno spettrofotometro
Rivelatori di uno spettrofotometro Fotodiodi
Spettroscopia atomica v Elementi in Spettroscopia molecolare v Specie molecolari in q Analisi ambientali q Analisi alimentari q Analisi tossicologiche q Controlli qualità industriali q Chimica clinica q Analisi forensi 38
Processi e dispositivi di atomizzazione del campione 39
Determinazioni di specie atomiche L analisi della composizione dei materiali comporta l individuazione e la determinazione delle specie atomiche componenti. La determinazione spettrofotometrica delle specie atomiche può essere eseguita solo su un mezzo in cui i singoli atomi, o ioni elementari, siano ben separati l uno dall altro. Il processo che trasforma il campione in un gas atomico prende il nome di atomizzazione. 40
Atomizzazione L efficienza e la riproducibiltà dell atomizzazione hanno grande influenza sulla sensibilità, precisione e accuratezza del metodo. Per atomizzare gli elementi presenti nel campione è necessario rompere i legami molecolari. L energia più comune per la rottura dei legami è l energia termica. La modalità con cui viene fornita l energia termica caratterizza le tecniche spettroscopiche. 41
I più comuni metodi di atomizzazione Temperatura Spe*roscopia Tecniche Fiamma 1700-3100 Assorbimento Emissione AAS AES Ele*rotermico 2000-3000 Assorbimento AAS Plasma ad accoppiamento indu?vo 6000-10000 Emissione Massa ICP- AES ICP- MS 42
Dispositivi di atomizzazione continui il campione viene prelevato in modo continuo (fiamma, plasma) discreti negli atomizzatori termo-elettrici i campioni vengono introdotti in maniera discreta 43
Spettroscopia atomica In spettroscopia atomica la risposta strumentale è funzione della concentrazione dell analita presente in fiamma, nel plasma o nel fornetto. S N La determinazione analitica è basata sull assunzione che il numero di atomi presenti lungo il cammino ottico N sia a sua volta proporzionale alla loro concentrazione nel campione C. N C 44
Spettroscopia atomica La proporzionalità che lega il segnale al numero di atomi in fiamma/plasma e quella che lega il numero di atomi alla concentrazione nel campione portano alla legge generale S = KC La costante K è funzione della natura dell analita, delle caratteristiche strumentali e delle condizioni operative Ø temperatura Ø lunghezza del cammino ottico Ø aspirazione del campione Ø desolvatazione Ø volatilizzazione Ø atomizzazione Ø nebulizzazione 45
Processi d atomizzazione 46
Nebulizzazione La soluzione aspirata passa attraverso un nebulizzatore che disperde il liquido in un aerosol finemente suddiviso perché la desolvatazione avvenga in modo uniforme e completo. Al cammino dell aerosol vengono frapposte una serie di trappole per favorire la miscelazione e bloccare le gocce di maggiori dimensioni che vengono drenate in uno scarico. La sospensione di particelle che raggiunge la fiamma rappresenta il 5-10%. del campione aspirato. 47
Bruciatore a flusso laminare
Bruciatore Miscela C Propano/aria 1700-1900 Propano/O 2 H 2 /aria H 2 /O 2 AceLlene/aria AceLlene/O 2 AceLlene/N 2 O 2700-2800 2000-2100 2500-2700 2100-2400 3030-3150 2600-2800 atomizzazione tempo di permanenza = 10-4 s desolvatazione 49
Plasma Si definisce plasma una miscela gassosa conduttrice di elettricità contenente concentrazioni significative di cationi ed elettroni tali che la carica netta sia vicina a zero Le temperature, 2-3 volte maggiori di quelle in fiamma, favoriscono i processi d atomizzazione e ionizzazione Gli elettroni del plasma limitano la ionizzazione Non si formano ossidi refrattari per la mancanza d ossigeno
ICP-AES (Plasma ottico) 51
Nebulizzazione
Nebulizzatore di Meinhard 53
Torcia 54
Nebulizzatore a ultrasuoni 55
Generatore di idruri Alcuni elementi (As, Bi, Sb, Se, Sn, Pb) formano idruri volatili per azione di un forte riducente (NaBH 4 1%) in ambiente acido. Gli idruri gassosi vengono convogliati verso una cella in quarzo o direttamente al plasma. 56
Atomizzatori discreti L esempio più conosciuto di atomizzatore elettrotermico è il fornetto di grafite. 57
Atomizzatori per matrici solide Atomizzatore di ultima generazione è la laser ablation. solido laser plume atomico gas di trasporto atomi al plasma 58
Laser ablation 59
Laser ablation solido laser 60