INTRODUZIONE AI METODI SPETTROCHIMICI Storicamente, il termine spettroscopia era riferito ad una branca della scienza in cui la luce (cioè la radiazione visibile) era risolta nelle sue lunghezze d onda componenti per dare gli spettri. Più recentemente il significato di spettroscopia è stato ampliato per includere gli studi non solo con la radiazione visibile, ma anche con altri tipi di radiazione elettromagnetica, quali raggi X, ultravioletto, infrarosso, microonde, ecc. In realtà l uso corrente estende il significato di spettroscopia ancora oltre per includere tecniche che neanche coinvolgono la radiazione elettromagnetica ett et (spettroscopia acustica, ca, spettroscopia elettronica, ett ecc.)
La radiazione elettromagnetica è un tipo di energia le cui proprietà sono convenientemente descritte trattando le radiazioni come onde sinusoidali con parametri d onda come lunghezza d onda, frequenza, velocità eampiezza. Il modello ondulatorio fallisce nel rendere conto di fenomeni associati con l assorbimento e l emissione di energia radiante. Per capire questi processi è necessario invocare un modello basato sulle particelle, in cui, cioè, la radiazione elettromagnetica è trattata come un flusso di particelle discrete o pacchetti d onda di energia chiamati fotoni con l energia di un fotone che è proporzionale alla frequenza della radiazione. Questa visione duale della radiazione, come particelle da un lato, e come onde dall altro, non è mutuamente esclusiva, ma piuttosto risulta spesso complementare. In realtà questo dualismo si applica al comportamento di correnti di elettroni come di altre particelle elementari quali i protoni ed è completamente razionalizzato dalla meccanica ondulatoria.
Rappresentazione di un raggio di radiazione monocromatica polarizzata nel piano Ampiezza A: lunghezza del vettore elettrico in corrispondenza di un massimo nell onda. Frequenza ν: numero di oscillazione dell onda al secondo (unità di misura hertz) Lunghezza d onda λ: distanza lineare tra due punti equivalenti
LO SPETTRO ELETTROMAGNETICO
ASSORBIMENTO DI RADIAZIONE Nella nomenclatura spettroscopica, l assorbimento è un processo in cui una specie chimica in un mezzo trasparente attenua selettivamente (diminuisce l intensità di) certe frequenze della radiazione elettromagnetica. Secondo la teoria quantistica ogni particella elementare (atomo, ione o molecola) l possiede solo un numero limitato di livelli energetici discreti, il più basso dei quali è lo stato fondamentale; a temperatura ambiente, la maggior parte delle molecole esiste nello stato fondamentale. Perché si abbia assorbimento della radiazione, l energia del fotone eccitante deve essere esattamente uguale alla differenza di energia fra lo stato fondamentale e uno degli stati eccitati della specie assorbente. Lo studio delle frequenze della radiazione assorbita permette di caratterizzare le specie che costituiscono un campione di materia. M + hν M*
SPETTROSCOPIA MOLECOLARE DI ASSORBIMENTO NEL VISIBILE E ULTRAVIOLETTO UV lontano UV vicino Visibile 10-200 nm 200-400 nm 400-750 nm Transizione degli elettroni di valenza La spettrofotometria di assorbimento da soluzioni opera a pressione ambiente e il loro campo d indagine è solitamente compreso tra 190 e 900 nm
ASSORBIMENTO MOLECOLARE
Gli spettri molecolari sono di norma caratterizzati da assorbimenti che spesso avvengono in un ampio intervallo di lunghezze d onda. L assorbimento comporta anche transizioni elettroniche a ciascuna delle quali saranno associate parecchie linee di assorbimento ravvicinate fra di loro, a causa dell esistenza di numerosi livelli vibrazionali. Inoltre, a ciascuno stato vibrazionale saranno associati molti livelli energetici rotazionali; come conseguenza di ciò, lo spettro di una molecola consiste in genere di una serie di linee di assorbimento molto ravvicinate, che dà luogo ad una banda di assorbimento. A meno di usare uno strumento ad alta risoluzione, i singoli picchi potrebbero non venire risolti; lo spettro risulterà allora costituito da picchi larghi. L assorbimento tra 190 e 900 nm produce l eccitazione elettronica e vibrazionale di molecole e ioni. Gli elettroni eccitati appartengono ad orbitali π π* o n π*
I gruppi capaci di dare assorbimento di radiazioni nell UV e visibile I gruppi capaci di dare assorbimento di radiazioni nell UV e visibile vengono detti CROMOFORI
LEGGE DI LAMBERT-BEERBEER La spettrofotometria di assorbimento in soluzione nell UV e visibile in chimica analitica viene impiegata prevalentemente per determinazioni quantitative con l uso della LEGGE DI LAMBERT-BEER L entità dell assorbimento dipende dalla lunghezza del cammino ottico che la radiazione percorre attraverso il campione. Se il campione è allo stato vapore o è in soluzione interviene anche la concentrazione. Siccome la determinazione di questa variabile è uno degli obiettivi della chimica analitica, è opportuno stabilire quale relazione correla la lunghezza del cammino ottico della fase contenente l analita, e la sua concentrazione con l entità dell assorbimento a una lunghezza d onda definita.
Consideriamo una certa quantità di materia in forma di parallelepipedo. Un raggio monocromatico con lunghezza d onda λ di intensità P 0 incide perpendicolarmente ad una faccia del parallelepipedo. Attraversando uno spessore dl si ha diminuzione relativa dell intensità dp/p dell intensità del raggio. Integrando sullo spessore b si ha:
P dp b ' dl P0 P 0 ln P P 0 ' b P log 0 P b 1 log T LEGGE DI LAMBERT A ' / 2,303 P T Trasmittanza A P 0 Assorbanza Coefficiente che misura l attitudine del materiale che costituisce il parallelepipedo ad assorbire la radiazione considerata
Consideriamo una soluzione di un soluto che assorbe, sciolto in un solvente che non assorbe il raggio. Indichiamo con V=Sb il volume di soluzione, con n il numero di molecole del soluto e con β λ una certa attitudine delle molecole di soluto ad assorbire la radiazione. (Sezione di cattura della radiazione) ' n V La concentrazione molare può essere espressa da: c n V 1000 N A Sostituendo: tue ' N A c 1000
ln P ' ' N A b c P 0 1000 P N A ln 0 bc P 1000 P N A log 0 bc P 2,3031000 Ponendo: N A 2,3031000 Si ottiene: A b c LEGGE DI LAMBERT-BEER BEER viene detto assorbività molare e rappresenta l assorbanza di un materiale di spessore unitario (in cm) in cui la concentrazione delle specie assorbenti sia di 1 mole su litro.
La rappresentazione di A in funzione di c (con b costante) è ovviamente una retta la cui origine coincide con l origine degli assi L espressione di Lambert-Beer descrive il comportamento idealizzato di un soluto, assumendo nulle sia le interazioni soluto-solvente che soluto-soluto soluto.
DEVIAZIONI DELLA LEGGE DI LAMBERT-BEER BEER La legge di Lambert-Beer afferma che ci dovrebbe essere linearità tra concentrazione e assorbanza. In alcuni casi si osservano delle deviazioni dalla proporzionalità diretta tra queste due variabili. Queste deviazioni possono risultare in una incurvatura verso l alto Queste deviazioni possono risultare in una incurvatura verso l alto (deviazione positiva) o verso il basso (deviazione negativa).
Le deviazioni possono essere dovute a: - Fattori strumentali - Fattori chimici FATTORI STRUMENTALI Radiazione policromatica Ampiezza della fenditura
RADIAZIONE POLICROMATICA Perché un sistema segua strettamente la legge dilambert-beer è necessario che la radiazione sia monocromatica. Consideriamo l effetto della radiazione policromatica sulla relazione tra concentrazione e assorbanza (due lunghezze d onda λ e λ ). Per λ: P / P ) A b bc log( 0 bc oppure P / P 10 0 Per λ : λ : ' ' P 0 / P 10 ' bc La potenza delle due lunghezze d onda che passano attraverso il solvente è data da P 0 +P 0, mentre quella che passa attraverso la soluzione contenenti gli analiti è data P+P. Quindi: A log P0 P P P ' 0 ' Sostituendo: A log P P ' 0 0 bc ' ' bc P0 10 P0 10
E sperimentalmente osservato che le deviazioni dalla legge di Lambert-Beer risultanti i dall uso di un fascio policromatico i non sono apprezzabili, a meno che la radiazione utilizzata non appartenga ad una regione spettrale in cui il campione esibisce marcati cambiamenti nell assorbimento in funzione della lunghezza d onda. d Concentrazione La banda A mostra una piccola deviazione poiché ε non cambia molto all interno della banda. La banda B mostra deviazioni marcate perché ε subisce cambiamenti significativi in questa regione.
AMPIEZZA DELLA FENDITURA Le fenditure di un monocromatore svolgono un ruolo importante nel determinare le sue prestazioni e la sua qualità. Ampiezza spettrale della fenditura: allargamento dell immagine sulla scala della lunghezza d onda ed è proporzionale all ampiezza reale della fenditura.
Tuttavia, se l apertura delle fenditure è troppo stretta ci può essere una diminuzione eccessiva dell intensità radiante e quindi è buona regola non ridurre la fenditura più di quanto necessario per la risoluzione dello spettro che si sta eseguendo.
FATTORI CHIMICI Gli effetti chimici possono essere dovuti a dissociazione, associazione, formazione di complessi, polimerizzazione ES: gli acidi benzoici esistono come miscela della forma ionizzata e non ionizzata, e in soluzioni acquose diluite si dissociano: C 6 H 5 COOH + H 2 O C 6 H 5 COO - + H 3 O + (λ max = 273 nm, ε = 970) (λ max = 268 nm, ε = 560) L assorbività molare effettiva a 273 nm diminuirà, perciò, all aumentare della diluizione o per alti valori di ph. A volte, l assorbanza è misurata ad un PUNTO ISOSBESTICO e cioè a una lunghezza d onda alla quale le due specie assorbenti in equilibrio abbiano lo stesso valore di ε; in questo caso la legge di Lambert-Beer è valida anche se si verifica uno spostamento dell equilibrio.
Solvente Variando il solvente la λ a cui si ha l assorbimento massimo può spostarsi verso valori maggiori (spostamento BATOCROMICO) o viceversa verso valori minori (spostamento IPSOCROMICO) Lo spostamento ipsocromico si evidenzia nei solventi che formano con il soluto legami idrogeno. In tali solventi lo stato eccitato ha energia più alta che nei solventi apolari.
SCELTA DELLE CONDIZIONI SPERIMENTALI In teoria, l assorbanza può variare tra 0, per una soluzione perfettamente trasparente, a, per una soluzione perfettamente opaca. Tuttavia, per ottenere risultati accurati è importante che l assorbanza sia compresa tra 0,1 e 1.
A logt bc dc c dt T ln T 1 c lnt T dc b 2,303 d c 1 lnt 0 2 dt T lnt dc 1 dt lnt 1 b 2,303 T ERRORE RELATIVO dc 1 b 2,, 303 c b 2,303 lnt dt T T e 1 0,368 (36,8%) A 0, 4343
Errore relativo in funzione dell assorbanza e della trasmittanza
STRUMENTAZIONE La strumentazione classica usata nel visibile e nell UV è costituita fondamentalmente da: SORGENTE MONOCROMATORE RIVELATORE Per raccogliere informazioni sulle caratteristiche della materia che interagisce con le radiazioni occorre scomporre le radiazioni stesse nelle loro componenti, cioè nelle singole radiazioni monocromatiche di cui sono costituite.
SORGENTE Nelle spettroscopie di assorbimento la sorgente emette uno spettro continuo. Per ottenere uno spettro continuo da 160 a 390 nm (UV) le sorgenti più usate sono lampade contenenti deuterio. Esse sono costituite da un filamento di tungsteno che emette elettroni verso un anodo metallico. Le molecole di deuterio vengono dissociate ed emettono nella regione indicata. Nel visibile, le lampade a spettro continuo più comuni sono quelle a fl filamento di tungsteno (portato a circa 3000 K) in bulbi di vetro. Ultimamentet si stanno utilizzando anche sorgenti laser. Questi tipii di sorgenti permettono di avere radiazioni di grande potenza nei quali l intervallo Δλ della lunghezza d onda può essere inferiore a 0,01 nm equindi radiazioni i i daconsiderare praticamente t monocromatiche.
MONOCROMATORE E il sistema che provvede a disperdere la radiazione e isolarne una stretta banda passante centrata intorno alla lunghezza d onda λ i Un monocromatore può essere costituito da: prismi reticoli di diffrazione filtri
Prismi Un prisma scompone una radiazione in virtù delle rifrazioni che il fascio subisce all ingresso ed all uscita. La dispersione di un prisma è espressa da d d θ è l angolo tra la direzione del raggio incidente e quella del raggio uscente
I prismi utilizzati nei monocromatori sono di forma assai diversa. Il prisma di Littrow presenta una faccia ricoperta da uno strato metallico riflettente. I raggi entrano nel prisma, vengono riflessi ed escono dalla stessa faccia d entrata.
Reticoli di diffrazione Possono operare in trasparenza o in riflessione. n d( sen i sen ) Si tratta di una lamina nella quale è stata incisa una serie di solchi paralleli ed equidistanti.
RIVELATORI Nella regione dell UV e del visibile si usano essenzialmente: Tubi fotomoltiplicatori Celle fotovoltaiche
TUBI FOTOMOLTIPLICATORI Si tratta di fotocelle a vuoto, costituite da un catodo ed un anodo tra i quali sono posti vari dinodi La superficie del catodo è rivestita da uno strato di materiale fotoemittitore (cioè emette elettroni per esposizione ad una opportuna radiazione). Tra il catodo e il primo dinodo si applica una d.d.p. di 80-90 V e di conseguenza gli elettroni sono accelerati verso il dinodo. Ad ogni dinodo successivo si impone un potenziale di circa 80-90 V più positivo di quello applicato al precedente. Ripetendo questo processo per nove volte, si ottengono da 10 6 a 10 7 elettroni per ogni fotone; questa cascata viene infine raccolta all anodo.
SPETTROFOTOMETRI Singolo raggio Doppio raggio SINGOLO RAGGIO Sono in generale più semplici e hanno i vantaggi intriseci di una energia passante maggiore e di rapporti segnale/rumore maggiori. D altra Daltraparte, però, i valori di P 0 (con il bianco) e P si ottengono in tempi diversi e, dato che la potenza della radiazione non si mantiene perfettamente costante nel tempo, le eventuali variazioni potrebbero influenzare l assorbanza misurata.
DOPPIO RAGGIO Sono o più costosi di quelli a singolo o raggio. Con questo schema costruttivo o la misura di P 0 e P non è simultanea, ma ha luogo in tempi assai prossimi, e così l assorbanza è influenzata solo da fluttuazioni rapide della sorgente. La misura è assai più rapida che con uno strumento a singolo raggio.
Quando il raggio incidente colpisce la cuvetta nella quale è contenuta la soluzione si osservano riflessioni alle due interfasi aria/parete come anche alle due interfasi parete/soluzione. L attenuazione del fascio risultante è sostanziale. Inoltre, l attenuazione del fascio può essere dovuta a fenomeni di dispersione nella soluzione. Per compensare questi effetti, la potenza del raggio trasmesso attraverso la celletta è usualmente comparata con la potenza di un fascio trasmesso da una celletta identica contenente soltanto il solvente. A log P solvente P soluzione