Spettroscopia di assorbimento molecolare e spettroscopia di assorbimento ed emissione atomica

Spettroscopia di assorbimento

I metodi spettroscopici si basano sulla misura delle radiazioni elettromagnetiche prodotte o assorbite dalla materia.

Metodi di emissione e assorbimento

• I metodi di emissione sfruttano la radiazione emessa quando un analita viene eccitato con energia termica.
• I metodi di assorbimento si basano sulla diminuzione di intensità delle radiazioni elettromagnetiche come conseguenza della sua interazione con l'analita e parziale assorbimento da parte dello stesso. Permette l'analisi quantitativa.

I metodi spettroscopici vengono convenientemente classificati in funzione della regione dello spettro elettromagnetico che è coinvolta. Le principali regioni sono:

• I raggi x maggiore frequenza
• L'ultravioletto
• Il visibile
• L'infrarosso
• Le microonde
• Le radiofrequenze maggiore lunghezza d'onda

Frequenza e lunghezza d'onda sono inversamente proporzionali, ma sono legate da una relazione che coinvolge la velocità della luce nel vuoto: λ · γ = c.

La radiazione elettromagnetica è una forma di energia che viene trasmessa attraverso lo spazio. Essa non necessita di un mezzo di supporto per la sua trasmissione, ma viaggia anche attraverso il vuoto.

Proprietà ondulatorie della radiazione elettromagnetica

Un fascio di radiazioni può essere rappresentato come un'onda sinusoidale. La radiazione viene considerata un campo di forza elettrico che oscilla periodicamente da 0 ad un'ampiezza massima A. Queste oscillazioni avvengono perpendicolarmente alle direzioni di propagazione dell'onda.

Un campo elettrico può essere trattato come una quantità vettoriale e la radiazione può essere rappresentata dall'andamento di questo vettore in funzione del tempo ad un punto fissato nello spazio o come funzione delle distanze ad un tempo fissato.

Parametri dell'onda:

• Periodo (P): tempo richiesto per il passaggio del massimo dell'onda attraverso un punto.
• Frequenza (ν): numero di oscillazioni al secondo (ν = 1/P).
• Lunghezza d'onda (λ): distanza tra 2 massimi d'onda.
• Velocità del fronte d'onda: ν · λ nel vuoto = c = 3x10¹⁰ cm/sec.
• Numero d'onda: numero di onde per centimetro (σ = 1/λ).
• Potere radiante: energia che colpisce una data area per secondo quantitativi.
• Intensità: potere radiante per unità di angolo solido.

Il modello ondulatorio non è sufficiente a spiegare i fenomeni associati con l'assorbimento e l'emissione radiante. Per queste proprietà è necessario guardare le radiazioni elettromagnetiche come un flusso di particelle distinte o come pacchetti di energia chiamati fotoni o quanti.

L'energia di un fotone è proporzionale alla frequenza della radiazione. Il dualismo onda-particella associato alla radiazione elettromagnetica si applica al comportamento di flusso di elettroni o di protoni.

Lo spettro elettromagnetico

Lo spettro elettromagnetico abbraccia un numero enorme di lunghezze d'onda. Tutte le lunghezze d'onda differiscono tra loro solo per l'energia che le distingue. La zona di lunghezza d'onda corrispondente alla radiazione visibile è molto piccola. A ogni radiazione elettromagnetica è associata un'energia: E = h · ν (Legge di Planck).

L'insieme di tutte le radiazioni elettromagnetiche costituisce lo spettro elettromagnetico.

Per quanto riguarda le analisi degli alimenti è molto importante l'infrarosso.

Generazione della radiazione elettromagnetica

Gli atomi, gli ioni e le molecole possiedono un numero limitato di livelli energetici discreti e quantizzati, il più basso dei quali è detto stato fondamentale. Fornendo opportunamente energia, è possibile andare in uno stato eccitato. Il periodo di vita degli stati eccitati è breve, e la specie torna nello stato fondamentale emettendo energia sotto forma di calore e/o di radiazione. L'energia di un fotone emesso è uguale alla differenza di energia tra lo stato eccitato ed il livello più basso.

Uno spettro di emissione è una rappresentazione grafica dell'energia radiante emessa da una sostanza eccitata in funzione della lunghezza d'onda.

• Gli atomi forniscono spettri di tipo discontinuo detti spettri a righe.
• Le molecole eccitate esistono in grandi quantità di stati di eccitazione, con energie che differiscono di poco tra loro e perciò emettono spettri a bande.

Assorbimento di una radiazione elettromagnetica

L'assorbimento è un processo attraverso il quale una sostanza rimuove selettivamente alcune frequenze della radiazione elettromagnetica. Il fotone assorbito trasmette energia alle sostanze secondo l'equazione: M + h · ν → M* (stato eccitato instabile).

Dopo breve tempo (10^-8 - 10^-10 sec) l'energia di eccitazione viene perduta sotto forma di calore (EMISSIONE) o sotto forma di radiazione: M* → M + calore.

L'assorbimento si misura determinando la diminuzione subito dalla radiazione incidente sulla sostanza, ed è proporzionale alla concentrazione del componente.

Da un punto di vista della sensibilità è più conveniente misurare l'assorbimento, perché a temperatura ambiente il numero di molecole che si portano allo stato eccitato è molto basso; quindi, è più probabile misurare l'assorbimento di un gran numero di molecole rispetto all'emissione delle molecole nello stato eccitato.

Un fascio di radiazione monocromatica di potere radiante incidente P₀ viene attenuato passando attraverso una soluzione che contiene C moli/litro di sostanza assorbente. Si ha una diminuzione continua, ΔP, del potere incidente del fascio in funzione delle particelle ΔN dell'analita.

-ΔP = k · P · ΔN; k costante.

Man mano che la radiazione attraversa la soluzione, la sostanza che si trova in soluzione comincia ad assorbire un po' della radiazione, e il potere radiante esce diminuito (P).

P₀log = ε · b · c = A (Legge di Lambert-Beer)

Legge di Lambert-Beer

• Trasmittanza: T = P / P₀
• ε: assorbanza specifica molare o coefficiente di estinzione, dipende dalla combinazione soluto-solvente e dalla λ_max, mentre non dipende dalla temperatura e dalla concentrazione. (costante)
• b: cammino ottico o larghezza del campioncino; negli strumenti UV-VISIBILE di solito è 1 cm (o 0,1 cm).
• c: concentrazione molare (mol/L)

La legge di Lambert-Beer si applica anche a soluzioni contenenti più specie assorbenti, e l'Assorbanza totale è la somma delle singole assorbanze.

A = A₁ + A₂ + … + A_n = ε₁ · b · c₁ = ε₂ · b · c₂ = … = ε_n · b · c_n

ε si può trovare in tabelle a diverse lunghezze d'onda, ma se non lo si trova si deve fare una soluzione 1 molare, si misura l'assorbanza e si trova ε, perché se c = 1 si ha che A = ε, dato che anche b = 1.

Esempio di calcolo della concentrazione

Esempio 1: In 500 ml di una soluzione sono disciolti 700 mg di (NH₄)₂SO₄ (solfato di ammonio).

• a) Calcolare la concentrazione della soluzione espressa in mg/L di ione ammonio NH₄⁺
• b) mg/L di azoto ammoniacale N-H

Esempio di calcolo del coefficiente di assorbimento molare

Esempio 2: Una soluzione contenente 4,48 mg/L di un colorante alimentare X (MM = 158,03 g/mol) posta in una cella con cammino ottico di 1 cm, fornisce, ad una data lunghezza d'onda, un valore di assorbanza di 0,510. Calcola:

• a) il coefficiente di assorbimento molare (ε)
• b) il valore della trasmittanza percentuale

b = 1 cm A = 0,510

c = 4,48×10^-5 / 158,03 = 2,83 × 10^-5 mol/L

A = ε · b · c = 0,510 = ε · 1 · 2,83x10^-5

ε = 0,510 / 2,83×10^-5

T = 10^-A = 10^-0,510 = 0,309 = 30,9%

Se ci sono 2 sostanze che assorbono alla stessa lunghezza d'onda, l'assorbimento che si misura è la somma dei due assorbimenti; questa è una cosa positiva, ma non sempre, perché se si vuole misurare la concentrazione di un componente attraverso l'assorbanza non si riesce a distinguere l'assorbanza del singolo componente, perché c'è un'interferenza dell'altro componente. In questo caso si può purificare meglio l'analita eliminando l'interferenza, oppure si può cambiare la lunghezza d'onda individuandone una alla quale uno dei due componenti assorbe e l'altro no.

Ovviamente, cambiando la lunghezza d'onda cambia anche l'assorbimento della molecola, perché il fatto che una molecola che assorbe ad una certa lunghezza d'onda dipende dalla struttura della molecola e dal tipo di legami chimici. Ad esempio, il benzene è una molecola aromatica ciclica con 6 atomi di carbonio con doppi legami coniugati, è una sostanza incolore, cioè non ha un assorbimento nel visibile ma assorbe nell'ultravioletto. Questo significa che se si vuole monitorare il benzene, si deve andare, ad esempio, a 280 nm (lunghezza d'onda dell'ultravioletto), perché lì ha un forte assorbimento.

Grafico di assorbimento di una sostanza in varie situazioni

La relazione della Lambert-Beer è lineare, in quanto la concentrazione e l'assorbanza sono in diretta corrispondenza.

• Nel grafico che riporta la concentrazione in funzione dell'assorbanza, secondo la legge di Lambert-Beer l'assorbanza deve seguire la concentrazione con una linea retta (curva A), mentre per particolari situazioni vale la curva B.
• Nel grafico che riporta l'assorbanza in funzione della lunghezza d'onda, se si prende la soluzione di benzene, la si mette nello spettrofotometro per fare la misura e si cambia la lunghezza d'onda che si invia al benzene. Misurando l'assorbanza e riportando sul grafico le lunghezze d'onda, si vede che nel caso di una molecola semplice si ha un unico picco e valori più bassi ai lati.

La Banda A è l'insieme di lunghezze d'onda molto vicine, che corrisponde al massimo dell'assorbimento. Nel caso nel benzene il massimo è 280 nm.

Se allo spettrofotometro si manda una banda di lunghezza d'onda che non è al massimo si vede che l'assorbimento è più basso, almeno per le concentrazioni molto elevate.

Si parla di bande perché quando si seleziona una lunghezza d'onda per misurare l'assorbimento in realtà le bande di radiazione elettromagnetica sono uno spettro quasi continuo, ed è difficile isolare una singola lunghezza d'onda.

L'assorbanza sarà massima dove c'è il massimo del picco, quindi bisogna scegliere sempre questo valore massimo. Per individuare la lunghezza d'onda che corrisponde al massimo assorbimento esistono delle tabelle in cui vengono riportate molte sostanze, ma se questo valore non è presente nelle tabelle si agisce in questo modo: se si ha uno standard, prima di andare a leggere la misura della concentrazione incognita per scegliere la lunghezza d'onda, si fa il suo spettro di assorbimento inserendolo nello spettrofotometro e ottenendo un grafico che potrebbe riportare uno o più massimi, e una volta individuato il massimo del picco poi quando si va a misurare la sostanza incognita si usa quella lunghezza d'onda.

Processo di assorbimento

Uno spettro di assorbimento è una rappresentazione grafica che mette in relazione le caratteristiche di assorbimento di un analita con la lunghezza d'onda della radiazione elettromagnetica.

Soluzioni di permanganato a 3 concentrazioni diverse:

• Trasmittanza: le maggiori differenze sono nelle zone tra il 20% e il 60%
• Assorbanza: le maggiori differenze sono nelle regioni dove A è alta e T è bassa
• Logaritmo: si ha una perdita di dettagli, ma le curve sono equi spaziate

Da questi 2 grafici si vede che dove l'assorbanza ha un massimo, la trasmittanza è al minimo, perché se la radiazione viene massimamente assorbita, viene minimamente trasmessa. Tanto più è concentrata la soluzione di permanganato, tanto maggiore sarà l'assorbanza e tanto minore sarà la trasmittanza.

Assorbimento molecolare

L'assorbimento delle molecole poliatomiche è un processo molto complesso, in quanto ogni regione della molecola può avere i suoi assorbimenti.

L'energia totale di una molecola è data da: E = E_elettronica + E_vibrazionale + E_rotazionale

• E_elettronica è quella che corrisponde al passaggio degli elettroni dallo stato fondamentale a stati eccitati. Avviene nel campo nel visibile e dell'UV.
• E_vibrazionale corrisponde alla vibrazione dei legami attorno alle posizioni di equilibrio. Si pensa, ad esempio, un legame tra 2 atomi come una molla che, quando si fornisce energia, può allungarsi o accorciarsi attorno all'asse che unisce i 2 atomi. Un altro tipo di vibrazione avviene quando 2 atomi sono legati allo stesso atomo, in quanto questi 2 legami formano un certo angolo e l'assorbimento di energia non solo può allungarli, ma può anche piegare l'angolo (questo movimento è detto bending). Avviene nel campo dell'infrarosso e del vicino infrarosso.
• E_rotazionale si pensa una molecola come una sbarra che unisce 2 masse, le quali possono ruotare intorno al centro comune, e un'energia adeguata può accelerare questa rotazione. Questo è il caso delle microonde.

Assorbimento nella regione dell'infrarosso e delle microonde

Le radiazioni infrarosse nella zona di lunghezza d'onda comprese tra 0,78 e 300 μm possiedono energia tale da provocare transizioni vibrazionali, ma non elettriche. I diversi picchi corrispondono alle vibrazioni dei legami che sono segnati vicino. Questo spettro a infrarosso visto nel complesso è molto importante perché è come un'impronta digitale di una certa molecola o di una classe di molecole. Ogni lunghezza d'onda nell'infrarosso ha effetti diversi in base alle diverse classi di molecole, quindi in base ai legami caratteristici.

La radiazione infrarosso non è però sufficientemente energetica da provocare transizioni elettroniche. Gli spettri dell'infrarosso consistono tipicamente di picchi di assorbimento stretti, molto ravvicinati, che risultano dalle transizioni tra i numerosi livelli quantici vibrazionali. La radiazione a microonde, che contiene meno energia di quella infrarossa, produrrà spettri di rotazione puri, che sono liberi dalle transizioni elettroniche e vibrazionali.