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Spettrofotometria.

Con questo termine si intende l’utili zzo della luce nella misura delle concentrazioni chimiche.

Per affrontare questo argomento dovremo conoscere:

• Natura e proprietà della luce.

• Cosa accade quando le molecole assorbono luce.

• Cosa sono le transizioni elettroniche, vibrazionali e rotazionali.

• Cosa accade all’energia assorbita.

• La legge di Lambert e Beer e i casi in cui non è valida la legge.

• Come si procede all’analisi qualitativa in assorbimento.

• Come si procede per un’analisi quantitativa e scelta della lunghezza d’onda.

• Schema a blocchi di uno spettrofotometro.

• Retta di lavoro e retta di regressione.

• Le principali caratteristiche delle componenti strumentali.

�PROPRIETÀ DELLA LUCE

La luce è descritta sia in termini di particelle (corpuscoli di energia) che di onde.

Le onde luminose consistono in campi magnetici e campi elettrici oscill anti, fra loro perpendicolari.

Per ragioni di semplicità, nella figura è rappresentata un'onda polarizzata su di un piano.

In questa figura, il campo elettrico è situato sul piano xy e quello magnetico sul piano xz.

� � � � � � � � � � � � � �è la distanza tra due massimi.

La frequenza v è il numero di

oscill azioni complete che l'onda

compie in un secondo.

L’unità di frequenza è s-1 .

Una frequenza al secondo è detta

anche hertz (Hz)

Una frequenza al secondo di 10 6 s-1

si dice anche di 10 6

Hz o di un megahertz.

�

La relazione tra frequenza e lunghezza d'onda è

(20.1)

dove C è la velocità della luce (2,997 924 5 8 - IO" m/s nel vuoto).

In qualsiasi altro mezzo diverso dal vuoto, la velocità della luce è c / n, dove n è l'indice di

rifrazione del mezzo. Poiché n è sempre ≤ 1, la luce viaggia più lentamente attraverso mezzi diversi

dal vuoto.

Per quanto riguarda l’energia associata alla luce, essa trasporta energia sotto forma di “particelle”

dette fotoni o quanti. Ciascun fotone trasporta una energia pari a:

h = costante di Planck ( 6,626.10-34 J .s)

ν = frequenza

poiché v = c/ � � � � � � � � � � � � �

dove ñ = 1 / � è detto numero d’onda.

Altri parametri che caratterizzano un’onda sono l’ampiezza A che è l’ampiezza massima raggiunta

dalla cresta dell’onda.

L’ intensità I di una radiazione è la quantità di energia che nell’unità

di tempo perviene sull’unità di superficie di un ostacolo.

K è una costante di proporzionalità. �

Cosa accade quando le molecole assorbono luce.

Quando una molecola assorbe un fotone passa necessariamente ad uno stato energetico più eccitato.

Quando emette un fotone la sua energia si riduce di una uguale quantità.

� � � �

! " #

E = h c / $ % & ' ñ

I = K A2

(

Generalmente questa energia assorbita viene ceduta non sotto forma di radiazione elettromagnetica ma

di calore, come vedremo in seguito.

L’energia assorbita da una molecola può provocare una o due o tutte e tre le seguente transizioni: ) una transizione elettronica * una transizione vibrazionali dallo stato fondamentale a uno eccitato * una transizione rotazionale

In generale quando una molecola assorbe luce di energia sufficiente a provocare una transizione

elettronica, possono verificarsi anche transizioni vibrazionali e transizioni rotazionali.

Le transizioni elettroniche

le transizioni vibrazionali sono quantizzate ( vedi figura).

le transizioni rotazionali

Esse possono assumere solo determinati valori di energia. Per una molecola biatomica:

ϖ = è la frequenza del moto vibratorio

Energia vibrazionale: E v = hϖ ( ν +2

1) ν = n. quantico vibrazionale (ν = 1,2,3)

h = cost. Planck

Energia rotazionale: E R = I

h2

2

8π( R+1) R I = momento di inerzia della molecola

biatomica; I = (m1 .m2/m1 +m2) r

2 ; m1 e m2 sono le masse atomiche ed r è la distanza fra i due atomi

R = n. quantico rotazionale (R = 1,2,3….)

Per i livelli elettronici non si possono dare formule altrettanto generali. Ogni tipo di atomo richiede un impostazione di calcolo e il calcolo dell’energia richiede formule complesse. Si può dire comunque che le energie coinvolte nelle transizioni elettroniche sono più grandi rispetto a quelle vibrazionali e a quelle rotazionali e cadono di solito nel campo dell’ultravioletto della radiazione elettromagnetica.

+

,

Cosa accade all’energia assorbita?

Il diagramma che segue mostra alcuni processi fisici che si verificano quando una molecola ha assorbito un fotone passando dallo stato elettronico fondamentale S0 allo stato S1. Le frecce dritte - . / 0 0 . 1 2 1 3 4 / 3 5 0 . 5 6 1 2 2 7 7 3 6 8 7 0 / . 4 1 6 7 0 / 3 5 fotoni, quelle ondulate 9rappresentano transizioni senza emissioni di radiazioni. Generalmente il primo processo che segue tale assorbimento è:

1. rilassamento vibrazionale. Tale transizione, senza emissione di radiazione, avviene ad esempio cedendo energia alle altre molecole o ad esempio al solvente attraverso colli sioni. In pratica l’energia del fotone assorbito viene ceduta in tutto il mezzo.

S0

S1

Livelli vibrazionali

: ; < = > > ;? @ A B C D @ E F C G @

Livelli rot.

Livelli rotazionali

H I J K L M J J NO P O Q Q R S T U V SO V V U Q W Q S

Livello elettronico fondamentale

X

2. conversione interna. La molecola può entrare in uno stato vibrazionale molto eccitato di S0 che si trova alla stessa energia di S1. Da questo stato eccitato la molecola può rilassarsi ritornando allo stato vibrazionale fondamentale e trasferire la sua energia a molecole vicine attraverso colli sioni.

3. conversione intersistema. La molecola può passare da S1 ad un livello vibrazionale eccitato,

(conversione interna). Si ha un rilassamento vibrazionale senza emissione di radiazioni, la molecola si trova ad un livello vibrazionale più basso. Da qui può subire un ulteriore rilassamento vibrazionale e tornare allo stato S0 senza emissione di radiazione, oppure ritornare allo stato S0 con emissione di radiazione, (fosforescenza).

4. fluorescenza normale. È una transizione con emissioni di radiazioni tra stati con lo lo stesso n. quantico di spin.

La maggior parte delle molecole ritorna allo stato fondamentale attraverso processi che non comportano emissioni di radiazioni. a

Abbiamo visto ora una relazione teorica fra materia ed radiazione assorbita. Y

Legge Di Lambert – Beer. Una legge che lega la concentrazione di una soluzione alla quantità di luce assorbita.

A = assorbanza (è un valore adimensionale) A = a b c

Z

a = coefficiente di estinzione o assorbività molare (M-1 cm-1 ) b= spessore liquido attraversato(generalmente espresso in cm)

c = concentrazione (generalmente espressa moli/ litro, M) Per capire cosa è l’assorbanza. Raggio monocromatico in entrata I0 Is raggio in uscita

I0 = intensità del raggio monocromatico in arrivo. Is = intensità del raggio monocromatico in uscita.

Il rapporto 0I

I s è definito trasmittanza T: T = 0I

I s ed è un numero 10 ≤≤ T .

Una grandezza di maggiore utili tà è l’ Assorbanza A.

L’assorbanza A viene chiamata anche estinzione

a) quando non vi è assorbimento: sI

I 0 = 1 ne consegue che A = 0

b) se viene assorbito il 90% della luce si ha: sI

I 0 = 100

10 ne consegue che A = 1

c) se viene assorbito il 99% della d luce si ha: sI

I 0 = 100

1 ne consegue che A = 2

La ragione di tale importanza è che questa grandezza (A) è direttamente proporzionale alla concentrazione della specie che assorbe la luce nel campione, secondo l’equazione A = a b c vista prima. Si potrebbe anche scrivere:

in quanto i valori di “A” e “a” dipendono dalla lunghezza d’onda della luce.

Soluzione del campione

A = log10 (sI

I 0 ) = - log T

A [ = a [ b c

\

• Uno spettro di assorbimento non è altro che un grafico che mostra come varia A in

funzione della lunghezza d’onda.

• La parte della molecola che assorbe la luce è detta cromoforo. Una sostanza che assorbe nel visibile è colorata.