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1 Analitica 24 16/17

INTRODUZIONE AI METODI SPETTROSCOPICI DI ANALISI

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Metodi spettroscopici d’analisi

I metodi spettroscopici di analisi si basano sulla misura della radiazione

elettromagnetica prodotta o assorbita dalle specie molecolari o atomiche

di interesse.

I metodi spettroscopici possono essere classificati a seconda della

regione dello spettro elettromagnetico. Queste regioni sono quelle dei

raggi γ, dei raggi X, dell’ultravioletto (UV), del visibile, dell’infrarosso

(IR), delle microonde e delle radio frequenze (RF).

La spettroscopia include oggi anche tecniche che non coinvolgono la radiazione elettromagnetica, quali la spettroscopia acustica, di massa ed

elettronica.

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Si distinguono due tipi di metodi spettroscopici :

➲ Metodi di emissione: fanno uso di radiazione emessa quando l’analita

è esposto ad energia termica o elettrica.

➲ Metodi di assorbimento: si basano sulla diminuzione in potenza

(attenuazione) di un fascio di radiazione elettromagnetica come

conseguenza della sua interazione con l’analita.

Metodi spettroscopici d’analisi

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Proprietà della radiazione elettromagnetica

La radiazione elettromagnetica è una forma di energia trasmessa

attraverso lo spazio ad enorme velocità.

La luce è solo parte della radiazione elettromagnetica nella regione

visibile ma alcune volte comprende anche la radiazione UV e IR.

Le radiazioni elettromagnetiche sono convenientemente descritte trattando

le radiazioni come onde sinusoidali con proprietà come: lunghezza

d’onda, frequenza, velocità e ampiezza.

Il modello ondulatorio fallisce nel rendere conto dei fenomeni associati

con l’assorbimento e l’emissione di energia radiante

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ampiezza A = lunghezza del vettore elettrico al massimo dell’onda periodo p = tempo richiesto per il passaggio di massimi (o minimi) successivi attraverso un punto fisso frequenza ν = numero di oscillazioni del campo per secondo; è uguale a 1/p lunghezza d’onda λ = distanza lineare fra massimi o minimi successivi di un’onda velocità c = è il prodotto della frequenza per la lunghezza d’onda

Parametri d’onda

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Velocità della radiazione

Nel vuoto la velocità alla quale la radiazione si propaga è indipendente dalla lunghezza d’onda ed è massima.

Tale velocità è indicata con c ed è stata misurata in 2.99792x1010

cm/s.

La velocità della radiazione nell’aria differisce leggermente da c (è

circa lo 0.03% in meno).

La velocità approssimata della luce nell’aria e nel vuoto è espressa dalla formula:

c = ν x λ = 3.00x1010 cm/s = 3.00x108 m/s

Il numero d’onda v è il numero d’onde per centimetro ed è uguale a 1/λ e ha unità di misura di cm-1

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Velocità della radiazione

La radiazione si propaga ad una velocità minore di c in un mezzo

contenente materia perché il campo elettromagnetico della radiazione

interagisce con gli elettroni negli atomi o molecole del mezzo ed è così

rallentata.

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Proprietà particellari della radiazione elettromagnetica

Il modello ondulatorio fallisce quando intervengono fenomeni associati

con l’assorbimento o l’emissione di energia radiante; in questo caso la

radiazione elettromagnetica deve essere trattata come una corrente di

particelle discrete o pacchetti d’onde di energia chiamati fotoni o quanti.

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L’energia di un fotone dipende dalla frequenza della radiazione ed è

data da:

E= h xν = hc/λ = hcv

dove h è la costante di Planck (6.63 x 10-34 Js).

Proprietà particellari della radiazione elettromagnetica

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Lo spettro elettromagnetico In questo grafico sono mostrate le regioni dello spettro magnetico che sono utilizzate per le analisi spettroscopiche nonché le transizioni atomiche e molecolari responsabili dell’assorbimento e dell’emissione di ciascuna regione.

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Misure spettroscopiche

GLI SPETTROSCOPISTI USANO LE INTERAZIONI CON LA MATERIA PER OTTENERE INFORMAZIONI SU I CAMPIONI.

Il campione viene stimolato mediante l’uso di energia sotto forma di CALORE, DI ENERGIA ELETTRICA, DI LUCE, DI PARTICELLE O

DI REAZIONE CHIMICA.

Prima della stimolazione, l’analita si trova prevalentemente nel suo

livello di energia più basso o STATO FONDAMENTALE.

L’applicazione dello stimolo fa sì che alcune specie dell’analita passino ad uno stato energetico più alto o STATO ECCITATO.

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SPETTROSCOPIA DI EMISSIONE e CHEMILUMINISCENZA

L’analita viene stimolato mediante calore, energia elettrica o mediante una

reazione chimica.

SPETTROSCOPIA DI EMISSIONE: comprende I metodi nei quali lo

stimolo è costituito dal calore o dall’energia elettrica.

SPETTROSCOPIA DI CHEMILUMINESCENZA: l’eccetizione

dell’analita avviene mediante una reazione chimica.

In entrambi casi si misura l’intensità emessa quando l’analita torna allo

stato fondamentale. E termica, elettrica o chimica

RADIAZIONE EMESSA

0

1

2

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SPETTROSCOPIA DI ASSORBIMENTO

L’analita viene stimolato mediante l’applicazione di un campo

elettromagnetico esterno

Nella spettroscopia di assorbimento si misura la quantità di luce assorbita

in funzione della lunghezza d’onda.

Radiazione incidente P0

0

1

2 Radiazione trasmessa P

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SPETTROSCOPIA DI FOTOLUMINESCENZA

Viene misurata l’emissione dei fotoni a seguito dell’assorbimento di una

radiazione elettromagnetica. L’analita può perdere il suo eccesso di

energia mediante emissione di un fotone (luminescenza) o mediante

processi non radiativi.

Luminescenza

0

1

2 Radiazione incidente P0

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Assorbimento della radiazione

Ogni specie molecolare è in grado di assorbire frequenze caratteristiche della radiazione elettromagnetica. Tale processo trasferisce l’energia alla molecola producendo un adiminuzione nell’intensità della radiazione elettromagnetica. La legge dell’Assorbimento nota come legge di Lambert Beer o soltanto legge di Beer ci dice come la quantità di radiazione attenuata dipende dalla concentrazione delle molecole che assorbono e dal cammino ottico nel quale avviene l’assorbimento. Maggiore è la distanza maggiore sarà l’attenuazione A parità di cammino più elevata è la concentrazione maggiore sarà l’attenuazione

P0 P

b

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Trasmittanza La trasmittanza T di una soluzione è definita come la frazione di

radiazione incidente trasmessa dalla soluzione:

T = P/P0

oppure

%T = P/P0 x 100

P0 P

b

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La figura mostra l’attenuazione di un raggio collimato di

radiazione monocromatica dopo il suo passaggio attraverso uno

strato di soluzione con uno spessore di b cm e una concentrazione c

di una specie assorbente.

L’interazione tra i fotoni e le specie assorbenti provocano una

riduzione della potenza del raggio da P0 a P.

Trasmittanza

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L’assorbanza A di una soluzione è definita dall’equazione:

A = -log10T = log P0/P E’ evidente dall’equazione sopra indicata che quando l’assorbanza di una soluzione aumenta, la trasmittanza diminuisce.

Assorbanza

Calcolo tramite foglio di Excel

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Trasmittanze ed assorbanze sperimentali

L’interazione fra la radiazione e le pareti del contenitore è inevitabile, con

perdite in potenza che si hanno ad ogni interfase come risultato della

riflessione e dell’assorbimento; le perdite per riflessione sono sostanziali.

Ad esempio, circa l’8.5 % del

fascio di luce gialla viene

perso per riflessione in seguito

all’attraversamento di una

celletta di vetro. La luce può

anche essere dispersa in tutte

le direzioni dalla superficie di

grosse molecle o particelle

(polvere).

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Per compensare questi perdite, la potenza del raggio trasmesso

attraverso una celletta è comparata con quella di un raggio che

attraversa una celletta identica contenente soltanto il solvente del

campione in esame.

Si ottiene così un’assorbanza sperimentale che approssima l’assorbanza vera per la soluzione:

A = log P0/P = log Psolvente/Psoluzione

Trasmittanze ed assorbanze sperimentali

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Secondo la legge di Beer, l’assorbanza è linearmente legata alla

concentrazione delle specie assorbenti, c, e alla lunghezza del cammino

ottico, b, della radiazione del mezzo assorbente. Cioè:

A = log (P0/P) = abc

a = costante di proporzionalità detta assorbanza specifica

La legge di Beer

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La legge di Beer

Quando c è espressa in moli per litro e b in cm la costante di

proporzionalità è chiamata assorbanza specifica molare ed ha il

simbolo speciale ε.

L’equazione che esprime la legge di Beer diventa:

A = log (P0/P) = εbc

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Termini utilizzati i n spettroscopia di assorbimento

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La legge di Beer si applica anche a soluzioni contenenti più di una specie

di sostanze assorbenti.

Se non si verifica interazione fra le varie specie, l’assorbanza totale per un sistema multicomponente è la somma delle assorbanze individuali:

Atotale = A1 + A2 + ....An = ε1bc1 + ε2bc2 + ....εnbcn

Applicazione della legge di Beer a miscele

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Spettri di assorbimento

Uno spettro di assorbimento è un grafico dell’assorbanza in funzione della lunghezza d’onda. L’assorbanza potrebbe essere diagrammata anche in funzione del numero d’onda o della frequenza. Si possono usare grafici anche in funzione di log A (che però porta a una perdita spettrale). Un grafico dell’assorbanza specifica molare in funzione della lunghezza d’onda è indipendente dalla concentrazione e caratteristico per una determinata molecola.

Permanganato di potassio

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Assorbimento atomico

L’assorbimento atomico avviene quando un fascio di radiazione policromatica ultravioletta o visibile passa attraverso un mezzo contenente atomi gassosi, solo poche frequenze sono attenuate dall’assorbimento. Lo spettro consiste di un numero di righe di assorbimento molto strette. Gli spettri di assorbimento atomico di solito non vengono registrati si misura invece l’assorbimento atomico ad una singola lunghezza d’onda usando un aosrgente monocromatica con una riga stretta.

5p

Na

3s

3p

4p

Ene

rgia

, el

ettr

onvo

lt

2.0

3.0

1.0

589.0 nm

330.3 nm

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Secondo la teoria quantica ogni specie molecolare ha un set unico di

stati energetici il più basso dei quali è lo stato fondamentale (M).

Quando un fotone di radiazione passa vicino ad una molecola

l’assorbimento avverrà se (e solo se) l’energia del fotone è esattamente

uguale alla differenza di energia tra lo stato fondamentale e uno degli

stati energetici più alti della molecola.

Teoria dell’assorbimento molecolare

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Nella situazione precedentemente esposta l’energia del fotone è

trasferita alla molecola convertendola allo stato energetico più alto

che è chiamato stato eccitato (M*).

Il tutto può essere rappresentato dall’equazione:

M + hν → M*


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Trascorso un brevissimo lasso di tempo ( da 10-8 a 10-9 s) la specie

eccitata (M*) si rilassa al suo stato fondamentale (M) trasferendo il

suo eccesso di energia ad altri atomi o molecole del mezzo.

Il tutto può essere rappresentato dall’equazione:

M* → M + calore


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Il rilassamento può anche avvenire per decomposizione fotochimica di

M* per formare nuove specie o per riemissione di radiazione

fosforescente o fluorescente.

E’ importante sottolineare che la vita media di M* è talmente breve

che la sua concentrazione a qualunque istante è trascurabile.


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Tipi di transizioni molecolari

Le molecole subiscono tre tipi di transizioni quantizzate

quando vengono eccitate dall’assorbimento di radiazione

ultravioletta, visibile e infrarossa:

➲ transizioni elettroniche

➲ transizioni vibrazionali

➲ transizioni rotazionali

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Transizioni elettroniche

La transizione elettronica comporta la promozione di elettroni

residenti in orbitali atomici o molecolari a bassa energia su orbitali ad

energia più alta. Perché tale transizione abbia luogo, l’energia del

fotone hν, deve essere esattamente uguale alla differenza di energia

fra i due orbitali.

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Transizioni vibrazionali

Le transizioni vibrazionali hanno luogo in quanto le molecole hanno molteplici livelli energetici quantizzati ( o stati vibrazionali) associati ai legami che tengono insieme la molecola.

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Oltre agli stati vibrazionali quantizzati una molecola ha una

quantità di stati rotazionali quantizzati associati al moto

rotazionale di una molecola intorno al suo centro di massa.

Transizioni rotazionali

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Energia totale

L’energia totale associata ad un orbitale e ad una molecola è quindi la

risultante di:

Etotale = Eelettronica + Evibrazionale + Erotazionale

dove Eelettronica è l’energia associata agli elettroni nei vari orbitali esterni della molecola, Evibrazionale è l’energia della molecola dovuta

alle vibrazioni interatomiche ed Erotazionale è l’energia associata alla

rotazione della molecola intorno al suo centro di massa.

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Assorbimento infrarosso

La radiazione infrarossa generalmente non è sufficiente a

provocare transizioni elettroniche, ma può indurre transizioni

negli stati vibrazionali e rotazionali dello stato elettronico

fondamentale di una molecola.

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Nel diagramma qui a fianco riportato le

frecce centrali suggeriscono che le molecole

in esame assorbono radiazione visibile di

cinque lunghezze d’onda promuovendo gli

elettroni ai cinque livelli vibrazionali del

livello elettronico E1 eccitato. I fotoni

ultravioletti che sono più energetici sono

richiesti per produrre l’assorbimento indicato

dalle cinque frecce alla destra.

Assorbimento di radiazione visibile e ultravioletta

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Spettri di assorbimento nel visibile per la 1,2,4,5-tetrazina in diverse condizioni

Per il composto allo stato vapore

( a ) l e m o l e c o l e s o n o

sufficientemente separate da

vibrare e ruotare liberamente e i

p i c c h i s o n o c h i a r a m e n t e

osservabili.

Nello stato condensato ed in

soluzione la libertà di ruotare è in

gran parte persa.

Si evidenziano in (b) e (c) i

differenti comportamenti spettrali

a seconda del solvente utilizzato.

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Si osservano frequentemente deviazioni dalla proporzionalità

diretta fra assorbanza e concentrazione (per b costante).

Si parla a seconda dei casi di:

➲ limitazioni reali

➲ deviazioni strumentali

➲ deviazioni chimiche

Limitazioni all’applicabilità della legge di Beer

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La legge di Beer ha successo nel descrivere il

comportamento in assorbimento solo di soluzioni diluite ed

in questo senso è una legge limite.

Ad alte concentrazioni (>0.01 M), le distanze medie fra gli

ioni o le molecole delle specie assorbenti sono diminuite al

punto tale che ogni particella influisce sulla distribuzione di

carica dei suoi vicini.

Limitazioni reali alla legge di Beer

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Questa interazione può modificare la capacità di assorbire una data

lunghezza d’onda di radiazione.

Poiché la misura dell’interazione dipende dalla concentrazione, il

verificarsi di questo fenomeno causa deviazioni dalla relazione

lineare fra assorbanza e concentrazione.

Limitazioni reali alla legge di Beer

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Deviazioni chimiche

Le deviazioni chimiche dalla legge di Beer appaiono quando le

specie assorbenti subiscono associazione, dissociazione o

reazione con il solvente per dare prodotti che assorbono

differentemente dall’analita.

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La legge di Beer è applicabile soltanto a misure di assorbanza con

radiazione monocromatica.

Le sorgenti realmente monocromatiche come i laser non sono tuttavia pratiche per misure analitiche di routine mentre la sorgente

continua policromatica con l’impiego di opportuni selettori di

lunghezza d’onda sembra offrire ottimi risultati.

Deviazioni strumentali con radiazioni policromatiche

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Le deviazioni dalla legge di Beer che derivano dall’uso di un

raggio policromatico non sono apprezzabili se la radiazione

utilizzata non copre una regione spettrale in cui l’assorbitore

mostra grosse variazioni nell’assorbanza come funzione della

lunghezza d’onda.

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I picchi di assorbimento molecolare nella regione spettrale UV/Vis

sono sufficientemente ampi che una stretta aderenza alla legge di

Beer può essere rivelata se le misure sono effettuate sul massimo

del picco.

Nella regione infrarossa i picchi sono generalmente così stretti che

le deviazioni dalla legge di Beer sono la regola.


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La radiazione impiegata per misure di assorbanza è generalmente

contaminata da piccole quantità di radiazione spuria dovuta ad

imperfezioni strumentali.

La radiazione spuria è il risultato della dispersione e della

riflessione delle superfici dei reticoli, lenti, filtri e finestre.

Deviazioni strumentali in presenza di radiazione spuria

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Per le misurazioni fatte in presenza di radiazione spuria l’assorbanza osservata è data da:

A’ = log (P0 + Ps)/(P + Ps) Dove Ps sta ad indicare la radiazione spuria.


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La figura accanto riporta il grafico dell’assorbanza contro la concentrazione per vari livelli di Ps rispetto a P0.

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Diseguaglianza tra le cellette

Un’altra importante deviazione della legge di Beer è causata dalla

diseguaglianza delle cellette. Se le cellette della soluzione dell’analita

e del bianco non sono uguali per cammino e per caratteristiche

ottiche.

Nella curva di calibrazione sarà presente una intercetta e avremo una

equazione del tipo

A = εbc + k

Questo errore può essere evitato scegliendo accuratamente delle

cellette uguali oppure usando una procedura di regressione lineare per

calcolare sia la pendenza che l’intercetta della curva di calibrazione.

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Emissione di radiazione elettromagnetica

Gli atomi, gli ioni, le molecole possono essere eccitati ad uno o più livelli energetici superiori mediante numerosi processi, inclusi il

bombardamento con elettroni o con altre particelle elementari,

l’esposizione al plasma ad elevata temperatura,

alla fiamma, all’arco elettrico,

o l’esposizione ad una sorgente di radiazione elettromagnetica.

La vita media di una specie eccitata è generalmente variabile (da 10-9 fino a 10-6 s) e il rilassamneto ad un livello energetico più basso o allo stato fondamentale ha luogo con ilascio dell’energia in eccesso nella forma di radiazione elettromagnetica , calore, o forse entrambi.

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