Spettroscopia Spettroscopia IR Spettroscopia NMR Spettrometria di massa 1
Spettroscopia E un insieme di tecniche che permettono di ottenere informazioni sulla struttura di una molecola attraverso l interazione con una radiazione elettromagnetica. Radiazione elettromagnetica Risposta Che tipo di informazioni? Informazioni sulla struttura 2
Le tecniche più utilizzate in chimica organica sono: La spettroscopia UV-Vis che fornisce informazioni sulla presenza di sistemi insaturi; La spettroscopia IR, che fornisce principalmente informazioni sulla natura di gruppi funzionali presenti; La spettroscopia NMR, fornisce informazioni sullo scheletro della molecola; Un'altra tecnica importantissima per la comprensione della struttura molecolare è la spettroscopia di massa (MS) che, tuttavia, non è propriamente una tecnica spettroscopica, poichè non coinvolge un'interazione radiazione/molecola. 3
Che cosa succede alla materia quando interagisce con una radiazione elettromagnetica? Radiazione elettromagnetica? COMPOSTO ORGANICO 1. CHE COSA E UNA RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA 2. CLASSIFICAZIONE DELLE RADIAZIONI EM (SPETTRO ELETTROMAGNETICO) 3. ENERGIA INTERNA DELLE MOLECOLE 4
1. 1. Radiazione elettromagnetica La radiazione elettromagnetica è una forma di energia che si propaga. Quali GRANDEZZE descrivono un onda elettromagnetica? La radiazione e.m. può essere trattata secondo due punti di vista: -Secondo la teoria ondulatoria -Secondo la teoria corpuscolare o quantica 5
Teoria ondulatoria Teoria ondulatoria Secondo la teoria ondulatoria una radiazione è costituita da un onda elettrica e un onda magnetica (radiazione elettromagnetica magnetica) ) che si propagano vibrando su piani ortogonali tra loro e ortogonali rispetto alla direzione di propagazione (onde trasversali). Figura 1. Rappresentazione ondulatoria di una radiazione elettromagnetica. 6
Componente elettrica Teoria ondulatoria Per semplicità si fa riferimento solo alla componente elettrica,, sottintendendo che esiste anche una componente magnetica ortogonale. E la componente elettrica della radiazione che interagisce con la materia e viene da questa assorbita. campo elettrico 7
Teoria ondulatoria Quali GRANDEZZE descrivono un onda elettromagnetica dal punto di vista ondulatorio? La radiazione e.m. si comporta come un onda che viaggia alla velocità della luce (velocità( di propagazione c) e può essere descritta in termini della sua lunghezza d onda λ e della sua frequenza di oscillazione ν. Lunghezza d onda e frequenza sono legate fra loro dalla relazione: λ = c/ν; c = λ. ν; ν = 1/λ (c = 3. 10 10 cm/sec) 8
lunghezza d onda (λ) è la distanza tra i massimi successivi di un onda. Unità metro Millimetro (mm) Micrometro (µ m) Nanometro (nm) Angstrom (Å) Rapporto con il metro - 1mm=10-3 1µm=10-6 1nm=10-9 1Å =10-10 Teoria ondulatoria 9
Frequenza (ν) è il numero di cicli completi di un onda che passano per un punto in un secondo. Si misura in cicli al secondo, ovvero in Hertz (Hz): 1Hz = 1 s -1 Teoria ondulatoria FREQUENZA (numero di cicli completi di un onda nell unità di tempo) Velocità di propagazione (c) è la velocità dell onda nel mezzo di propagazione. Nel vuoto vale 3. 10 10 cm/sec. 10
Che cosa ci dice l equazione: Teoria ondulatoria λ = c / ν * La lunghezza d onda d λ è inversamente proporzionale alla frequenza ν Frequenza Lunghezza d onda *vedi pagina 8 11
Teoria corpuscolare Teoria corpuscolare Secondo la teoria corpuscolare, la radiazione è costituita da un fascio di particelle (fotoni( fotoni) ) che si propagano in modo rettilineo con moto sinusoidale di frequenza ν. Ciascun fotone è dotato di un ENERGIA E, che è in relazione con la frequenza ν della radiazione attraverso l equazione: l E = hν = hc/λ (λ = c/ν ν ν = c/λ) Energia (E) si misura in Kcal/mole (Kj/mole). Costante di Planck (h) 9.537. 10-14 kcal. s. mole -1. Max Planck (1858-1947) 12
RIASSUMENDO Le GRANDEZZE sono E, v e λ che descrivono un onda elettromagnetica E = hν = hc/λ l energia E è direttamente proporzionale alla sua frequenza ν, ma è inversamente proporzionale alla lunghezza d onda d λ. Energia Frequenza Lunghezza d onda 13
2.2 Spettro elettromagnetico Esistono differenti tipi di radiazioni elettromagnetiche. Esse nel loro insieme danno origine allo spettro elettromagnetico. 14
Esperimento di Newton Scomposizione della luce bianca 15
Sir Isaac Newton (1642-1727) 1727) nel 1666 portò a termine un esperimento in cui dimostrava che: la radiazione visibile è costituita da una sequenza continua di lunghezze d onda che coincidono con i diversi colori percepiti dall occhio umano. Fece passare un fascio di luce solare attraverso un prisma trasparente: arente: 16
Osservò che la luce veniva scomposta dal prisma in diverse componenti cromatiche: Ad ogni colore corrisponde una diversa lunghezza d onda e quindi una diversa frequenza di oscillazione. 17
Sir Frederic William Herschel (1738-1822) 1822) ipotizzò l esistenza di altre componenti della luce al di fuori della zona di luce cromatica.* La zona di luce che precede il fascio di radiazioni visibili è chiamata c INFRAROSSO *(W. Herschel, Philos. Trans. MDCCC, 284) 18
Per poter rilevare la presenza di radiazioni luminose anche nella a zona non visibile dall occhio umano, Sir Frederic William Herschel collocò il bulbo di un termometro in corrispondenza del raggio incolore. T 1 T 2 Osservò un aumento della temperatura. 19
Successivamente, Sir Frederic William Herschel collocò un campione di acqua tra il raggio IR ed il termometro. La differenza di temperatura misurata ( T)( è una misura dell assorbimento della radiazione IR. 20
Facendo variare la parte dello spettro (radiazione) che interagiva con il campione, l entità dell assorbimento variava. 21
E = hν = hc/λ -alte frequenze e corte lunghezze d onda d corrispondono a radiazioni ad alto contenuto energetico (raggi gamma). -basse frequenze e lunghezze d onda d elevate corrispondono a radiazioni a basso contenuto energetico (onde radio) 22
Spettro elettromagnetico E = hν = hc/λ Denominazione Lunghezza d onda, λ Frequenza, ν (MHz) Numero d onda, ν (cm -1-1 ) Energia (Kcal/mole fot.) Raggi X 10-3 -3-10 nm 3.. 10 14-3.. 10 10 2.8.. 10 7-2.8.. 10 3 Lontano Ultravioletto 10-200 nm 3.. 10 10-2.. 10 9 2.8.. 10 3-1.4.. 10 2 Vicino Ultravioletto 200-400 nm 2.. 10 9-1.. 10 9 1.4.. 10 2-7.1.. 10 Visibile 400-750 nm 1.. 10 9-4.. 10 8 7.1.. 10-3.8.. 10 Infrarosso vicino 0.75-2.5 µ 4.. 10 8-1.. 10 8 2.5.10 4-1.3.. 10 4 3.8.. 10-1.1.. 10 Infrarosso medio 2.5-50 µ 1.. 10 8-5.. 10 6 4.. 10 3-2.10 2 1.1.. 10-5.7.. 10-1 -1 Infrarosso lontano 50-1.000 µ 5.. 10 6-10 5 200-10 5.7.. 10-1 -1-2.8.. 10-2 -2 Microonde 0.1-100 cm 1.. 10 5-1.. 10 2 10 1.. 10-2 -2 2.8.. 10-2 -2-2.8.. 10-5 -5 Onde radio 1-1.000 m 1.. 10 2-1.. 10-1 -1 2.8.. 10-5 -5-2.8.. 10-8 -8 23
3. ENERGIA INTERNA DELLE MOLECOLE Radiazione elettromagnetica? COMPOSTO ORGANICO Quando un fascio di radiazioni elettromagnetiche attraversa una determinata sostanza, la radiazione può essere assorbita e provocare un aumento dell energia interna della sostanza. 24
In cosa si traduce l aumento l di energia interna? L aumento dell energia interna provoca una serie di fenomeni diversi a seconda del tipo di radiazione: Le radiofrequenze riescono solo a interagire con lo spin di alcuni nuclei Le microonde inducono rotazioni nelle molecole Le radiazioni IR amplificano le naturali oscillazioni dei legami molecolari Le radiazioni UV/visibile riescono a eccitare gli elettroni di valenza I raggi X riescono ad estrarre gli elettroni più vicini al nucleo 25
Radiazione elettromagnetica COMPOSTO ORGANICO A seconda del tipo di energia assorbita, la molecola può subire un aumento della vibrazione o della rotazione degli atomi, o far saltare un elettrone a un livello energetico superiore. 26