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Chimica Analitica

26 APPLICAZIONI DELLA SPETTROSCOPIA DI ASSORBIMENTO MOLECOLARE

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Chimica Analitica

Le misure di assorbimento nelle regioni visibile ed ultravioletta

dello spettro forniscono informazioni qualitative e quantitative su

molecole organiche, inorganiche e biochimiche.

Specie molecolari che assorbono la radiazione ultravioletta e visibile

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Chimica Analitica

Assorbimento da parte di composti organici

Sono due i tipi di elettroni responsabili dell’assorbimento

della radiazione ultravioletta e visibile da parte di

molecole organiche:

➲ elettroni condivisi che partecipano direttamente alla

formazione del legame

➲ elettroni esterni non condivisi che sono localizzati intorno ad atomi come ossigeno, alogeni, zolfo e azoto

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Chimica Analitica

Gli elettroni condivisi in legami singoli come quello caronio-

carbonio o carbonio-idrogeno sono così fortemente legati che

l’assorbimento si ha solo in una regione dello spettro

ultravioletto (λ <180nm).

In suddetta regione assorbono anche i componenti dell’aria; la

regione è detta ultravioletto del vuoto.

Assorbimento da parte di composti organici

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Chimica Analitica

Gli elettroni coinvolti in legami doppi e tripli di molecole organiche sono legati più debolmente e sono perciò più

facilmente eccitati dalla radiazione; le specie con legami

insaturi mostrano picchi di assorbimento utili nella regione

ultravioletta facilmente accesibile (>180nm).

Assorbimento da parte di composti organici

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Chimica Analitica

Assorbimento da parte di composti organici

I gruppi funzionali insaturi organici che assorbono nelle regioni

dell’ultravioletto e del visibile sono detti cromofori.

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Chimica Analitica

Caratteristiche di assorbimento di alcuni tipici cromofori organici

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Chimica Analitica

Gli ioni e i complessi di elementi delle prime due serie di transizione assorbono bande ampie di radiazione visibile in almeno uno dei loro stati di ossidazione.

Assorbimento da parte di specie inorganiche

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Chimica Analitica

Per scopi quantitativi l’assorbimento a trasferimento di

carica è particolarmente importante perché le assorbanze

specifiche molari sono inusualmente grandi (εmax>10000)

e portano di conseguenza una alta sensibilità.

Molti complessi inorganici ed organici esibiscono questo

tipo di assorbimento e sono detti complessi a

trasferimento di carica.

Assorbimento a trasferimento di carica

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Chimica Analitica

Un complesso a trasferimento di carica consta di un gruppo

elettron donatore legato ad uno elettron accettore.

Quando questo prodotto assorbe radiazione un elettrone dal

donatore è trasferito all’accettore.

Lo stato eccitato è così il prodotto di un genere di processi

ossido-riduttivi interni.

Assorbimento a trasferimento di carica

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Chimica Analitica

Specie molecolari che assorbono la radiazione infrarossa

Fatta eccezione per pochi composti omonucleari come O2, Cl2 e N2

tutte le molecole organiche ed inorganiche assorbono radiazione

infrarossa.

L’assorbimento di tale radiazione comporta transizioni fra i livelli

energetici vibrazionali dei più bassi livelli energetici elettronici delle

molecole.

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Chimica Analitica

Specie molecolari che assorbono la radiazione infrarossa

Il numero di modi in cui una molecola può vibrare è legato al numero di legami che essa contiene e al numero di atomi che la costituiscono.

Spettro infrarosso per l’n-butanale

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Chimica Analitica

Spettroscopia di assorbimento molecolare

La spettroscopia di assorbimento nell’ultravioletto/visibile è utilizzata

soprattutto per l’analisi quantitativa.

La spettroscopia di assorbimento nell’infrarosso è invece uno strumento potente per la determinazione qualitativa di composti sia organici che

inorganici.

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Chimica Analitica

◆ estesa applicabilità ◆ buona sensibilità ◆ limiti di rivelazione da 10-4 a 10-7 M ◆ selettività da moderata ad alta ◆ ragionevole accuratezza e precisione ◆ velocità e convenienza

Caratteristiche importanti della spettrofotometria ultravioletto/visibile

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Chimica Analitica

Applicazioni a specie assorbenti

La determinazione spettrofotometrica di composti organici contenenti uno o

più gruppi cromofori è effettuabile così come lo è anche quella di specie

inorganiche in grado di assorbire la radiazione ultravioletta e visibile.

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Chimica Analitica

Applicazioni a specie non assorbenti

La determinazione spettrofotometrica per questa

classe di analiti può essere effettuata previa reazione

con reagenti cromofori che porta alla produzione di

specie che assorbono fortemente nelle regioni

ultraviolette e visibile.

E’ importante che la reazione con l’analita da parte dei reagenti sia forzata a completezza.

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Chimica Analitica

Reagenti inorganici tipici sono: ◆ ione tiocianato per ferro,cobalto e molibdeno ◆ lo ione ioduro per bismuto, palladio e tellurio Tra i reagenti chelanti organici (che formano complessi colorati stabili con i cationi) ricordiamo: ◆ dietilditiocarbammato per il rame ◆ difeniltiocarbazone per il piombo ◆ 1-10-fenantrolina per il ferro ◆ dimetilgliossima per il nichel

Applicazioni a specie non assorbenti

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Chimica Analitica

Condizioni necessarie per avere una relazione riproducibile tra assorbanza e concentrazione dell’analita

➲ selezione della lunghezza d’onda ➲ variabili che influenzano l’assorbanza ➲ pulizia e maneggio delle cuvette

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Chimica Analitica

➲ determinazione della relazione tra assorbanza e concentrazione ➲ metodo dell’aggiunta standard ➲ analisi di miscele

Condizioni necessarie per avere una relazione riproducibile tra assorbanza e concentrazione dell’analita

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Chimica Analitica

Selezione della lunghezza d’onda

Per ottenere la massima sensibilità le misure di assorbanza spettrofotometriche sono ordinariamente eseguite ad una lunghezza d’onda corrispondente ad un picco di assorbimento.

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Chimica Analitica

La variazione di uno spettro di assorbimento è dovuta al tipo di solvente utilizzato, al pH della soluzione, alla temperatura, alla concentrazione dell’analita e alla presenza di sostanze interferenti. Gli effetti di queste variabili devono essere perfettamente conosciute.

Variabili che influenzano l’assorbanza

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Chimica Analitica

E’ sempre richiesto l’uso di cuvette accoppiate di elevata qualità. Esse dovrebbero essere calibrate tra loro per rivelare eventuali differenze causate da graffi, impronte, o più in genere dall’uso.

Pulizia e maneggio delle cuvette

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Chimica Analitica

Determinazione della relazione fra assorbanza e concentrazione

Gli standard di calibrazione per una analisi spettrofotometrica e

fotometrica dovrebbero approssimare quanto più possibile la

composizione complessiva del campione reale.

Tuttavia quasi mai è possibile assumere l’aderenza alla legge di

Beer; meno prudente ancora è basare i risultati su un valore

riportato in letteratura.

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Chimica Analitica

Il metodo dell’aggiunta standard

Le difficoltà legate alla preparazione di standard con una

composizione complessiva che approssimi strettamente

quella del campione sono enormi se non insormontabili;

in tali circostanze l’approccio dell’aggiunta standard può

essere utile.

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Chimica Analitica

L’assorbanza totale di una soluzione ad una qualsiasi lunghezza d’onda è uguale

alla somma delle assorbanze dei componenti individuali presenti nella soluzione.

Analisi di miscele

Nella figura a fianco viene riportato lo spettro di

una soluzione contenente una miscela della

specie M e della specie N insieme agli spettri di

assorbimento delle componenti individuali.

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Chimica Analitica

Per analizzare la miscela, le assorbanze specifiche molari per M e N

sono precedentemente determinate alle lunghezze d’onda λ1 e λ2 con

un numero di standard sufficiente ad assicurare il rispetto della legge

di Beer in un intervallo di assorbanze che comprende anche

l’assorbanza del campione.

Per completare l’analisi si determina l’assorbanza della miscela a queste due lunghezze d’onda.

Analisi di miscele

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Chimica Analitica

Le miscele contenenti più di due specie che assorbono dovrebbero

essere analizzate (almeno in teoria) effettuando una misurazione

aggiuntiva di assorbanza per ogni componente aggiunto.

Le incertezze nei dati risulterebbero però più grandi man mano che

aumenta il numero delle misure.

Analisi di miscele

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Chimica Analitica

Applicazioni della spettroscopia di assorbimento nell’infrarosso

La spettroscopia infrarossa è applicabile sia per l’analisi

qualitativa che per l’analisi quantitativa.

Le applicazioni qualitative sono però di gran lunga le più importanti.

Spettrometri dispersivi

Spettrometri in Trasformata di Fourier

Fotometri a filtro

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Chimica Analitica

Spettrometri in trasformata di Fourier

Non contegono elementi dispersivi e tutte le lunghezze

d’onda sono rivelate e misurate contemporaneamente.

PER SEPARARE LE LUNGHEZZE D’ONDA E’ NECESSARIO MODULARE IL SEGNALE DELLA

SORGENTE CHE ATTRAVERSA IL CAMPIONE, in

modo che esso possa essere regis trato come

INTERFEROGRAMMA.

L’interferogramma è successivamente decodificato con

una trasfprmata di Fourier.

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Spettrometri in trasformata di Fourier

D u e i n t e r f e r o m e t r i p a r a l l e l i , u n o p e r modulare la radiazione IR proveniente dalla sorgente pr ima che attraversi il campione e u n s e c o n d o p e r modulare la luce rossa proveniente dal laser HE-Ne che fornisce un segnale di riferimento per l’acquizione dei dati derivanti dal rivelatore IR.

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Spettri prodotti con uno spettrometro FTIR

Spettro IR del cloruro di metilene

Segnale in uscita (interferogramma) in funzione del tempo o spostamento dello specchio mobile

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Applicazioni qualitative

La spettroscopia infrarossa è un potente metodo a disposizione del chimico per identificare e determinare la struttura di specie organiche, inorganiche e biochimiche poiché tutte le specie molecolari eccezione fatta per alcuni composti omonucleari (idrogeno, ossigeno e azoto) assorbono tale radiazione.

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Applicazioni quantitative

Le applicazioni quantitative della spettroscopia infrarossa sono più

limitate di quelle analoghe ottenute con la radiazione ultravioletta/visibile

in virtù delle basse assorbanze specifiche molari, della larghezza esigua

dei picchi infrarossi e delle difficoltà strumentali nel misurare

accuratamente le trasmittanze.

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Misure di assorbanza

L’uso di cuvette appaiate non è conveniente nell’infrarosso a causa delle difficoltà di avere celle con caratteristiche di trasmissione identiche. Tale difficoltà deriva dalla degradazione, dovuta all’uso, della trasparenza delle finestre delle celle per infrarosso dovuta all’attacco di tracce di umidità nell’atmosfera e nei campioni. Inoltre il cammino ottico è difficile da riprodurre perché le celle per infrarosso hanno uno spessore < 1mm.

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Applicazioni tipiche

Oltre ad avere la capacità di determinare un numero

insolitamente elevato di sostanze visto che tutte le specie

molecolari assorbono in questa regione, l’unicità di uno

spettro infrarosso fornisce un grado di specificità

eguagliato o superato da pochi altri metodi analitici.

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Errori nelle analisi spettrofotometriche

Sono stati paragonati due strumenti: lo Spectronic 20 ed il Cary 118 che è più costoso e viene utilizzato nell’ambito della ricerca.Dalla figura sottostante si evince che lo Spectronic 20 genera errori elevati anche quando l’assorbanza misurata è>1.2 mentre con il Cary 118 questo errore scompare.

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Fotometri

Nei casi in cui non è richiesta un’alta purezza spettrale (come spesso accade) l’accuratezza e la precisione offerte dal fotometro raggiungono quelle fatte da uno spettrofotometro. Gli svantaggi maggiori dei fotometri sono la minore versatilità, l’incapacità a produrre spettri interi e la più ampia larghezza di banda effettiva.

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Fotometri

Viene qui di seguito riportato a titolo di esempio uno schema ottico di un fotometro infrarosso portatile progettato per la determinazione quantitativa di inquinanti organici nell’atmosfera.

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Fotometri

La sorgente del fotometro prima illustrato è una barretta di ceramica avvolta da un filo di nichel-cromo e il trasduttore è un rivelatore piroelettrico. Il cammino ottico nella cella è 0.5 m ma una serie di specchi riflettenti (non mostrati in figura) incrementa la lunghezza della cella fino a 20.5 m. Questa caratteristica aumenta enormemente l’intervallo di concentrazioni accessibili allo strumento.

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Fotometri

Il fotometro infrarosso portatile presentato nei lucidi precedenti è sensibile a pochi decimi di parte per milione di sostanze quali acrilonitrile, idrocarburi clorurati, monossido di carbonio, fosgene e cianuro di idrogeno.