(parte 1) Orbitali atomici Cromoforo Spettrofotometro · 2016-01-22 · cromoforo I cromofori più...

Spettroscopia UV-visibile (parte 1)

Orbitali atomici Orbitali molecolari Transizioni elettroniche Regole di selezione Cromoforo Spettrofotometro Legge Lambert-Beer

Spettroscopia UV-visibile

La Spettroscopia Uv-visibile studia gli spettri di assorbimento di

molecole nella regione compresa tra circa 200 e 700 nm.




Livello elettronico fondamentale

Primo livello elettronico eccitato

e-




Essendo coinvolti elettroni di legame, l’energia della radiazione assorbita

può essere correlata con i tipi di legame presenti nella specie in esame.



Eccitazione

assorbimento

e-

Le radiazioni della regione del visibile e

dell'ultravioletto possiedono energia

sufficiente a promuovere un salto degli

elettroni nello stato fondamentale verso

orbitali ad energia più alta in uno stato

eccitato.

Che cosa succede dopo l’assorbimento di una radiazione UV-vis?




e-

Che cosa succede dopo l’assorbimento di una radiazione UV-vis?

Lo stato eccitato ritorna allo stato

elettronico fondamentale sia:

•per produzione di calore

•per emissione di una radiazione

con energia uguale o minore a quella

della radiazione assorbita*.

* Quest’ultimo processo è noto con il nome di fluorescenza.




e-

Rilassamento

emissione

Regione dell’ultravioletto: copre una zona che comprende lunghezze d’onda che vanno da 200 a 400 nm fino a confinare con il violetto.

Regione del visibile: la radiazione della luce visibile con compresa tra circa 400 e 700 nm, rappresenta una porzione molto piccola dello spettro elettromagnetico. All’interno di tale regione dello spettro ci sono tutti i colori che si vedono quando una luce bianca attraversa un prisma e che in ordine decrescente di lunghezza d’onda sono: rosso, arancione, giallo, verde, celeste, indaco, violetto.


Orbitali molecolari Spettroscopia UV-visibile

Schema energetico di formazione di OM partendo

dagli OA dei due atomi A e B quando A e B sono

omonucleari (stessi atomi).

Il fatto che A e B siano due atomi uguali è

dimostrato dallo stesso livello energetico per i 2s e i

2p dei due atomi.


Schema energetico di formazione di OM partendo

dagli OA dei due atomi A e B quando A e B sono

omonucleari (stessi atomi).

Il fatto che A e B siano due atomi uguali è

dimostrato dallo stesso livello energetico per i 2s e i

2p dei due atomi.

Molecola O2


Orbitali molecolari e

salti energetici

Assorbimento quando DE=hn


In realtà, usare una radiazione con una frequenza utile

a colmare il D non basta:

occorre che vengano verificate condizioni specifiche

Regole di selezione

La I° regola di selezione afferma che

in una transizione elettronica si deve avere una forte ridistribuzione della carica elettrica e quindi una concreta variazione del momento dipolare.

Passare da un orbitale molecolare all’altro vuol dire influenzare la distribuzione di cariche.

Questa distribuzione è dovuta al fatto gli orbitali hanno geometrie diverse di densità elettronica

(tra e * notiamo che la distribuzione delle cariche è diversa, lo stesso vale tra e *).

Qual’è la transizione elettronica che non provoca

una distribuzione delle cariche?????

Per la verità non se ne riesce ad immaginare

nemmeno una . Quindi la regola ci suggerisce che

maggiore sarà la differenza di ridistribuzione,

più probabile sarà la transizione.


Regole di selezione

La II° regola di selezione ha a che vedere con lo “spin” elettronico:

lo spin totale in una transizione si deve conservare


Regole di selezione

La II° regola di selezione ha a che vedere con lo “spin” elettronico:

lo spin totale in una transizione si deve conservare

Il numero di spin totale, chiamato

S non è altro che:

la sommatoria di tutti gli spin

associati agli elettroni del nostro

sistema:

S = si

S= 0 ( tutti gli orbitali con coppie

di elettroni)

S= 1/2 oppure –1/2 (un solo

elettrone spaiato);

S= 1 (due orbitali con due

elettroni spaiati)


Regole di selezione

La III° regola di selezione è detta regola della simmetria orbitalica.

Essa afferma che una transizione è permessa solamente se la simmetria della distribuzione elettronica della ² si conserva durante la transizione.

Questa regola, in parole povere, ci dice che:

Una transizione è tanto più probabile che avvenga

quanto più la simmetria tra gli orbitali è conservata.

OA OM caratteristiche di simmetria rispetto all'asse di legame

s simmetria assiale; coassiale con l'asse di legame

p piano nodale contenente l'asse di legame

d d due piani nodali perpendicolari intersecantesi lungo l'asse di legame


Queste transizioni sono caratteristiche sia di composti organici sia

di composti inorganici.

Il gruppo di atomi in cui approssimativamente sono localizzati gli

orbitali molecolari tra cui avviene la transizione viene chiamato

cromoforo

I cromofori più comuni sono caratterizzati da legami chimici

multipli e sono detti perciò insaturi: tra essi il gruppo etilenico

C=C, acetilenico C=C, carbonilico C=O.

Cromoforo


Le transizioni osservabili per un gruppo carbonilico C=O sono

illustrate schematicamente nel seguente grafico.


L’utilizzo dello spettro UV-Visibile per l’analisi qualitativa non

può raggiungere i livelli di approfondimento consentiti da altre

tecniche spettroscopiche quali IR a causa dello spettro stesso,

che non appare quasi mai (specialmente per le soluzioni)

sufficientemente dettagliato.

Tuttavia può essere benissimo impiegato per una prima

caratterizzazione della molecola, accontentandosi di ottenere da

una simile tecnica solo la possibilità di operare magari una

sommaria scelta fra varie alternative.

Assorbimento dei composti organici


Transizioni σ → σ*

Queste transizioni sono quelle che

richiedono le energie più elevate.

Molecole come gli alcani saturi, che

contengono solo legami C–C e C–H,

danno solo questi assorbimenti, che

cadono nella zona dell’UV lontano,

detta anche UV sotto vuoto. Infatti in

questa zona assorbe anche l’ossigeno

dell’aria, per cui un’eventuale indagine

andrebbe condotta eliminando tale

interferenza, vale a dire operando sotto

vuoto.

Principali transizioni elettroniche


Transizioni π → π*

E’ tipica dei composti insaturi.

Ne possiamo individuare tre tipi principali:

transizione etilenica → banda tipica di

sistemi π isolati

transizione benzenoide → banda tipica del

sistema benzenico;

Transizione di coniugazione → è

caratteristica di sistemi aromatici o comunque

di doppi o tripli legami coniugati. Maggiore è

la delocalizzazione, più alta è la lunghezza

d’onda di assorbimento, ed aumenta anche la

relativa intensità.



Transizioni n → σ* e n → π*

Queste bande sono del tipo R, cioè

radicalico, perché interessano eteroatomi

che dispongono di doppietti di non-

legame e si trovano inseriti in un sistema

π o in un sistema σ.

È il caso di C=O, C=N, N=N, oppure il

C –O, C–S, C–N (alcoli, mercaptani,

ammine…)



Transizioni per trasferimento di carica

Sono di solito le più intense dello spettro, perché sono dovute a veri e propri

spostamenti di elettroni da una parte all'altra della molecola.

Transizioni d → d o f → f

Nei composti di coordinazione, l'interazione del metallo centrale con i leganti ad

esso coordinati provoca una separazione tra i cinque orbitali d (o i sette orbitali

f, nel caso dei lantanidi), che in assenza dei leganti hanno tutti la stessa energia.

Gli assorbimenti che corrispondono alle transizioni fra orbitali d (o f) cadono

nella regione del visibile, perché i dislivelli sono relativamente piccoli, perciò i

composti di coordinazione dei metalli di transizione e dei lantanidi appaiono

spesso colorati.

Gli spettri dei composti di coordinazione, dunque, mostrano le bande di

assorbimento dei leganti insieme all'assorbimento caratteristico dei metalli

di transizione (che hanno orbitali d) o dei lantanidi (che hanno orbitali f) e

l'assorbimento per trasferimento di carica.



In generale la complessità molecolare non influisce sulla complessità spettrale,

pertanto è possibile individuare particolari raggruppamenti in molecole complesse,

confrontando gli spettri con quelli di molecole più semplici.

Spettro UV-visibile


L’esame degli assorbimenti caratteristici dei vari gruppi funzionali ha dimostrato che non

sono numerosi i casi nei quali lo spettro elettronico risulta effettivamente utile, come nel

caso di dieni e trieni coniugati, aromatici, carbonili coniugati…

Possiamo quindi stilare una serie di linee guida:

♥ Assorbimenti molto forti nell’intervallo 200–300 nm (ε: 10.000–20.000)

indicano sistemi di almeno due cromofori coniugati, uguali o diversi. Se la banda è

ancora più spostata verso il visibile, la coniugazione è certamente elevata.

♥ Assorbimenti piuttosto forti nella zona 270–370 nm (ε: 5.000–16.000);

indicano sistemi aromatici con sostituenti polari, che danno luogo anche a bande di

trasferimento di carica. Le bande si spostano vero il visibile quanto maggiore è la

coniugazione, oppure quando sono presenti più sostituenti con elettroni mobili.

♥ Assorbimenti deboli o di media forza nell’intervallo 210 – 300 nm (ε: 200 –

8.000): indicano sistemi aromatici con sostituenti alchilici, ma anche transizioni n

→ σ* di atomi che possiedono doppietti di non legame

Criteri di riconoscimento delle

sostanze organiche


♥ Assorbimenti molto deboli nella zona 200 – 300 nm (ε: 10 – 100): indicano

transizioni n → π* e caratterizzano i gruppi N=O, C=O, N=N, C=S…

♥ Assorbimenti analoghi ai precedenti ma nell’intervallo 400 – 1.500 nm (ε: 20 –

1.000) sono dovute a transizioni interne di tipo d → d o f → f dei metalli di transizione o

dei lantanidi

♥ Assorbimenti molto forti (ε: 30.000 – 50.000) verso il visibile indicano bande di

trasferimento di carica intermolecolari o intramolecolari.


sostanze organiche


In definitiva si può dire che

lo spettro UV diventa decisivo quando il dato che

fornisce è in negativo.

Ad esempio:

L’assenza di assorbimento sopra i 180 nm esclude la presenza di sistemi aromatici o comunque coniugati

L’assenza di assorbimento tra 230 – 280 nm esclude la

presenza di anelli benzenici


sostanze organiche


Spettrofotometro UV-visibile

Spettrometro

Fotometro

Produce luce di lunghezze

d’onda selezionate

(generalmente contiene un

monocromatore)

Misura l’intensità della

radiazione


Spettrofotometro a singolo raggio

IL MONOCROMATORE è

un PRISMA o un

RETICOLO DI

DIFFRAZIONE

Converte

l’Intensità della

radiazione in

Intensità di

corrente

1) Si mette nella cuvetta il solvente e si misura l’Intensità della radiazione trasmessa.

2) Si lava la cuvetta.

3) Si mette la soluzione e si misura l’intensità.

4) Si fa il rapporto fra le due Intensità

è sensibile a:

•temperatura,

• luce

•alla stessa misurazione del bianco che deve

essere ripetuta per ogni misurazione


Il bianco (o riferimento) è costituito dal solvente ad eccezione

della sostanza di cui si vuol esaminare l’assorbimento

La radiazione proveniente dal

MONOCROMATORE si

divide in due raggi che sono

inviati contemporaneamente al

campione ed al solvente.

Il secondo raggio passa attraverso

il campione e fuoriesce con

l’Intensità trasmessa Icampione

Il computer registra

entrambi i raggi in

modo alterno e

calcola il rapporto.

Più complesso e costoso, ma consente una grande precisione e

praticità anche nelle analisi quantitative, poiché registra il bianco una

sola volta e poi continua in automatico

Spettrofotometro a doppio raggio


Legge Lambert-Beer


T=I/I0 Trasmittanza

c= concentrazione dell’analita (M)

b= cammino ottico (cm)

I0= intensità del raggio incidente

I= intensità del raggio in uscita

I0

I

b


Legge Lambert-Beer

T=I/I0 Trasmittanza





I0

I

b

Beer, Lambert e altri hanno dimostrato che T

diminuisce in modo esponenziale in rapporto alla

concentrazione c del composto colorato e alla

lunghezza del percorso della luce, b, nel modo

seguente:

T= 10-εcl


Legge Lambert-Beer

T=I/I0 Trasmittanza





I0

I

b

A()=ecb

legge di Lambert-Beer


Legge Lambert-Beer

Beer, Lambert e altri hanno dimostrato che T




seguente:

T= 10-εcl

T=I/I0 Trasmittanza





I0

I

b

A()=ecb

legge di Lambert-Beer


Legge Lambert-Beer

A=-logT=log(I0/I)

Assorbanza Beer, Lambert e altri hanno dimostrato che T




seguente:

T= 10-εcl

I0

I

b

A()=ecb

L’assorbanza quantifica l’assorbimento di fotoni di

lunghezza d’onda da parte di analiti presenti nel campione


Legge Lambert-Beer

ATTENZIONE: Per misure fatte con cuvette con

differente cammino ottico, l’intensità trasmessa I diminuisce

esponenzialmente con l’aumentare del cammino ottico

I0

I

b

I

b

I0


Legge Lambert-Beer

A()=ecb

ATTENZIONE: In alternativa, nel caso di cuvette

con cammino ottico costante, l’intensità trasmessa decresce

esponenzialmente con l’aumentare della concentrazione del soluto

ASSORBENTE

I0

I

b

I

c

I0


Legge Lambert-Beer

A()=ecb

La grandezza e dipende da .

Al fine di determinare la concentrazione di una specie

attraverso la legge di Lambert-Beer, occorre che e sia

costante.

Ciò si realizza utilizzando radiazioni monocormatiche


Legge Lambert-Beer

A()=ecb

Nella spettroscopia UV-VIS il campione viene irraggiato con radiazioni UV

e/o visibile .

Le molecole che compongono il campione assorbono l’energia irradiata (se

sono rispettate determinate condizioni).

La risposta del campione viene registrata e, in base ai segnali raccolti, è

possibile risalire alla composizione del campione in termini di molecole.

Il tipo di interazione fornisce la risposta analitica:

• qualitativa identificazione attraverso le assorbite

• quantitativa legge di Lambert-Beer (A = ebC)

Riassumendo…………… Spettroscopia UV-visibile

La legge di Lambert-Beer

descrive bene il comportamento

in assorbimento di soluzioni

diluite, cioè con concentrazione

generalmente fino a 0,01 M.

Al di là di tale limite si osservano

delle deviazioni dalla

proporzionalità diretta tra

assorbanza e concentrazione.


A()=ecb

Possibili deviazioni dalla legge di

Lambert-Beer:

1. il campione si dissocia o associa in

soluzione (deviazione chimica)

2. la radiazione non è monocromatica

(deviazione strumentale)

3. si ha luce diffusa (deviazione

strumentale)

4. il campione è fluorescente


A()=ecb

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