Chimica analitica 2

A A C

NALISI QUANTITATIVA NALISI QUALITATIVA INETICA DI REAZIONE

Mono o doppio raggio Doppio raggio Mono o (meglio) doppio raggio

48

Serie di diodi (soprattutto per Serie di diodi (per alte velocità di Serie di diodi (per alte velocità di

analisi multicomponente) acquisizione) acquisizione)

Accuratezza delle lunghezze

Linearità fotometrica Stabilità dello zero

d’onda

Accuratezza e riproducibilità Risoluzione Sensibilità

fotometrica

Luce diffusa Stabilità della linea di base Fedeltà di risposta

Sensibilità

Ricordiamo che lo schema di uno spettrofotometro presenta: una sorgente di radiazione elettromagnetica,

un monocromatore per la selezione della banda passante, una cella portacampione, un detector, un

amplificatore ed infine un display di output.

Mentre in uno spettrofotometro a singolo raggio la cuvetta con il bianco e quella con il campione non

possono essere analizzate nello stesso momento, tale condizione viene soddisfatta da uno spettrofotometro

a doppio raggio. Tale strumento ha inoltre due vantaggi molto importanti:

• Permette di correggere la fluttuazione della sorgente, che avviene inevitabilmente anche in presenza

di un alimentatore stabilizzato

• Permette di correggere errori di perdita della potenza della radiazione emessa dalla sorgente, cioè

fenomeni di riflessione, di diffusione e di scattering

Esistono tre diversi sistemi di shift del raggio luminoso sfruttati da strumenti a doppio raggio:

• Il chopper

• Lo specchio a prisma

• Lo specchio semitrasparente

In figura sono riportati i diversi sistemi di sdoppiamento e di riallineamento dei raggi in spettrometri per

UV/Vis a doppio raggio. 49

a) La radiazione che colpisce il chopper

viene alternativamente riflessa e

trasmessa con una frequenza costante di

50 − 100 ; si ottengono così due raggi

alternati e pulsati di intensità simile alla

radiazione incidente. Il raggio di

riferimento viene diretto sul rivelatore

mediante un sistema di spettri. Il

chopper può essere a due o tre settori. Il

chopper a due settori consente di

mandarla in due direzioni diverse,

mentre quello a tre settori crea anche

una fase di “buio”.

b) Uno specchio a forma di prisma è

allineato rispetto alla sorgente in modo

che le due facce riflettano metà del

raggio verso destra e metà verso sinistra.

Altri specchi inviano i raggi divisi al

campione e al bianco; poi i due raggi

vengono riallineati e pulsati mediante un

chopper, e inviati in rapida successione al

rivelatore.

c) Uno specchio semitrasparente

riflette circa il 50% del raggio incidente e

trasmette l’altra metà nella direzione del

raggio incidente. Uno specchio

semitrasparente è costituito da un

materiale trasparente su cui è

depositato, a strisce, uno strato

metallico altamente riflettente. Lo

specchio sdoppia il raggio proveniente

dalla sorgente. I due raggi vengono poi

riallineati, pulsati mediante un chopper e

inviati al rivelatore.

Per effettuare analisi spettrofotometriche, è prima necessario effettuare una taratura. In tal caso, si possono

adottare due tipologie di metodi:

• Metodo degli standard esterni, per ottenere una curva di calibrazione

• Metodo delle aggiunte standard al campione per la determinazione spettrofotometrica

Vediamo adesso come è possibile ricavare la concentrazione incognita di analita nella soluzione campione

sfruttando il metodo delle aggiunte standard. In particolare, possiamo distinguere sia un metodo analitico

che un metodo grafico. 50

Alcune aliquote identiche di campione di volume e concentrazione

incognita , sono trasferite in matracci tarati di volume . Ad

ognuno dei matracci (con l’eccezione del primo), si aggiunge un

volume variabile (ma noto) di standard a concentrazione . Dopo

l’aggiunta dei reattivi, si porta a volume. L’assorbanza delle soluzioni

è data dalla somma delle assorbanze del campione con quelle dello

standard, cioè della concentrazione totale nel matraccio.

= +

Riportando in grafico i valori dell’assorbanza misurata in funzione

del volume di standard aggiunto alla soluzione su cui è stata

effettuata la misura, si ottiene

= +

Con intercetta e pendenza date da

= =

Notiamo che il contributo all’assorbanza totale dato dal campione è costante in tutte le soluzioni.

Ricavando i valori di e di dalla regressione lineare dei dati ottenuti, si ottiene

= ∙ =

Siccome si conoscono i valori di e di , è possibile rielaborare tale equazione per ottenere il valore di

concentrazione dell’analita:

=

È possibile ricavare tale concentrazione anche per via grafica. Estrapolando sull’asse delle ascisse il valore

= 0),

assoluto di che corrisponde ad un valore di assorbanza nulla ( si ottiene che

=

Da tale relazione, si ottiene che =

Da cui si ricava infine la concentrazione incognita di analita:

=

51

Esistono delle sonde fotometriche in grado di effettuare misurazioni

di assorbanza in continuo. Tali strumenti possono essere impiegati

per la determinazione della concentrazione incognita di analita

tramite una titolazione.

Un fotometro a sonda prevede di inviare una radiazione emessa da

una lampada a tungsteno tramite una fibra ottica al campione. Uno

specchio rifletterà dunque la radiazione non assorbita che, tramite un

percorso di ritorno, giungerà ad un rilevatore/amplificatore a

fotodiodi che restituirà il valore di assorbanza misurato.

Una titolazione che preveda di utilizzare tale fotometro a sonda

consiste nel titolare la soluzione dell’analita con un titolante che

+ →

reagisca con l’analita per dare un prodotto di reazione (

). La curva di titolazione fotometrica dipenderà poi dalla diversa

assorbanza delle tre specie in soluzione; in figura, sono stati riportati

alcuni casi. Il punto equivalente viene quindi ottenuto

dall’intersezione delle rette di linearizzazione della curva stessa.

Spettrofotometria molecolare UV-Vis 190 − 900 .

La spettroscopia molecolare UV-Vis ha un campo di applicazione di lunghezze d’onda di Per

< 185 si assiste ad un assorbimento da parte dell’aria e anche una possibile decomposizione delle

molecole, in quanto la radiazione è sufficientemente energetica da permetterlo. Per lunghezze d’onda

185 − 195

comprese fra i è possibile effettuare misure di assorbanza in corrente di .

2 52

Le transizioni che possono avvenire nel campo UV-Vis possono essere di varia natura. Queste transizioni,

vibrazionali e rotazionali, avvengono a seguito di un’eccitazione elettronica (di elettroni di legame) di

molecole e ioni: ∗

+ ℎ → −8 −9

10 − 10 .

Il tempo di vita medio della molecola eccitata è compresa fra i All’eccitazione, segue un

rilassamento, generalmente per emissione di calore.

∗

→ +

Talvolta, il rilassamento può anche avvenire per collisioni, decomposizione fotochimica o fluorescenza.

L’entità dell’assorbimento di una selezionata lunghezza d’onda da parte di una specie molecolare è

.

controllata dal coefficiente di estinzione molare Ricordiamo che il coefficiente di estinzione molare è

sempre riferito ad una ben specifica lunghezza d’onda, e che a lunghezze d’onda diverse corrispondono

coefficienti di estinzione molari diversi. Il valore di può variare da valori vicino allo zero, fino ad un massimo

5

1 ∙ 10

dell’ordine di .

Il valore del coefficiente di estinzione molare, come già osservato nella dimostrazione della Legge di Lambert-

:

Beer, dipende dalla probabilità della transizione e dalla sezione di cattura trasversale della specie

19

= 8,7 ∙ 10

Da misure di raggi X, l’area della sezione trasversale di cattura per molecole organiche è stata stimata

−15 2

1 ∙ 10

nell’ordine di ; la probabilità, invece, può variare fra 0 ed 1. In particolare, si definiscono

• 4 5

= 0.1 − 1 ⇒ = 1 ∙ 10 − 1 ∙ 10

Transizioni “permesse”:

• 3

< 0.01 ⇒ < 1 ∙ 10

Transizioni “proibite”:

Non tutti gli analiti si prestano a determinazioni analitiche di tipo spettrofotometrico; generalmente, però,

questi tipi di tecniche analitiche sono molto utili per determinazioni quantitative, e soprattutto qualitative,

di composti organici.

Transizioni elettroniche di composti organici ,

Andiamo adesso a studiare le diverse transizioni che possono verificarsi per specie contenenti elettroni

o (cioè di non legame, ad esempio di un doppietto).

Le possibili transizioni sono: • ∗

→

Transizioni - sono transizioni molto energetiche

(siccome il gap di energia fra i due livelli energetici è molto ampio).

Tali transizioni ricadono nella zona dell’UV vuoto, a lunghezze

d’onda molto basse.

• ∗

→

Transizioni - sono transizioni che avvengono in

presenza di atomi con doppietti non condivisi (quali O, S, N e

150 − 250 ,

alogeni). Le lunghezze d’onda sono comprese fra =

dunque dall’UV vuoto al normale UV. Sono caratterizzate da

2 3

10 − 10 e sono poco utilizzate in analisi. 53

∗

→

In presenza di solventi polari come o etanolo, i massimi di assorbimento dovuti a transizioni

2

tendono a spostarsi a lunghezze d’onda ancora più corte.

Le transizioni (che avvengono in presenza di doppi o tripli legami) sono quelle più utilizzate nella

spettrofotometria di assorbimento molecolare UV-Vis a fini analitici (soprattutto per determinazioni

quantitative).

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