Chimica analitica - tecniche spettroscopiche

Tecniche spettroscopiche

Le tecniche spettroscopiche sfruttano le interazioni tra le radiazioni elettromagnetiche e la materia. La radiazione elettromagnetica è una forma di energia interpretabile come un fenomeno ondulatorio, dovuto alla simultanea propagazione di un campo elettromagnetico E e di un campo magnetico H tra loro perpendicolari e perpendicolari rispetto alla direzione di propagazione dell'onda. Un'onda elettromagnetica è caratterizzata da una lunghezza d'onda, cioè la lunghezza tra due punti successivi, λ, in fase tra loro; da una frequenza v, cioè il numero di oscillazioni al secondo o il numero di onde che attraversano un dato punto in 1 sec: v = C/λ e da un'ampiezza A che rappresenta la distanza tra il massimo dell'onda e la direzione di propagazione. La legge di Planck associa a ogni radiazione una certa energia: E = hv = hC/λ. Le radiazioni a più alta energia sono dunque quelle a maggior frequenza e a minore λ. L'insieme delle radiazioni elettromagnetiche costituisce lo spettro elettromagnetico che spazia dalle onde radio (a minore E) ai raggi gamma (a maggiore E). Le radiazioni del visibile (luce) sono comprese tra 350 (viola) a 780 (rosso) nm, tra UV e IR.

Interazioni tra radiazione elettromagnetica e materia

Le tecniche spettroscopiche si basano sulle interazioni tra una radiazione elettromagnetica e la materia. Esistono varie interazioni:

Rifrazione

Rifrazione: l'onda attraversa la superficie di separazione fra due mezzi a densità diversa, ed essa viene deviata. Si ha una variazione della velocità e quindi della direzione di propagazione. L'indice di rifrazione assoluto: n=C/Cm. La frequenza è costante, varia la velocità e la lunghezza d'onda λ. La tecnica che sfrutta la rifrazione è la rifrattometria, basata sulla determinazione dell'indice di rifrazione e sullo studio delle relative applicazioni analitiche.

Riflessione

Riflessione: quando un'onda elettromagnetica viene respinta dalla superficie sulla quale incide, ci sono due possibilità:

• Riflessione speculare: quando la superficie è liscia. L'angolo di rifrazione è uguale all'angolo di incidenza. L'onda non varia le proprie caratteristiche.
• Riflessione diffusa: la superficie su cui incide non è trasparente alla radiazione e appare rugosa. Si ha parziale assorbimento e ciò che ne resta viene disperso in tutte le direzioni.

La tecnica che sfrutta la riflessione è la spettroscopia di riflettanza.

Diffusione

Diffusione: la radiazione incidente viene riemessa in direzioni casuali nello spazio. Ce ne sono vari tipi:

• Diffusione in mezzo trasparente: la radiazione può propagarsi nel mezzo e viene dispersa in modo non omogeneo in tutte le direzioni dello spazio. Viene sfruttata dalla turbidimetria e dalla nefelometria, che misurano la trasparenza delle soluzioni.
• Diffusione di Raman: una piccolissima frazione della radiazione inizialmente acquisita viene riemessa con frequenza diversa e diffusa su tutte le direzioni. Su questo fenomeno si basa la spettroscopia di emissione Raman che consente di effettuare indagini strutturali per evidenziare alcuni tipi di vibrazioni di particolari gruppi funzionali e di molecole che non sono attivi nella spettroscopia IR.

Diffrazione

Diffrazione: un fascio di luce attraversa una fenditura o un foro su un mezzo opaco la cui ampiezza ha lo stesso ordine di lunghezza d'onda λ della radiazione incidente. Su uno schermo a valle si ottengono delle immagini sempre meno intense a partire dal centro che sono dette frange di diffrazione. Questo viene sfruttato nello studio della diffrazione dei raggi X causata da materiali diversi e consente di determinare le strutture cristalline di questi materiali attraversati da raggi X dallo studio delle figure di diffrazione ottenute.

Polarizzazione

Polarizzazione: viene sfruttata dalla polarimetria, che consente di determinare il potere ottico rotatorio α di molecole organiche otticamente attive.

Luminescenza

Luminescenza: è la capacità di alcune sostanze di assorbire luce a frequenza relativamente alta e riemetterla in maniera discreta a frequenze basse. Si hanno due tipi di luminescenza: fluorescenza e fosforescenza. La fluorescenza viene sfruttata dalla fluorimetria.

Assorbimento

Assorbimento: la materia viene attraversata da una radiazione ed è in grado di assorbire energia dalla radiazione stessa. A seconda della regione spettrale della radiazione assorbita si hanno le diverse tecniche spettroscopiche di assorbimento (UV, vis, IR ecc.).

Modello corpuscolare

Considera la radiazione elettromagnetica come un flusso di particelle distinte chiamate fotoni o quanti. Questa concezione si integra al modello ondulatorio, che da solo non è sufficiente a spiegare i fenomeni associati all'assorbimento e all'emissione di energia. L'energia del fotone dipende dalla frequenza v della radiazione associata: E = hv. A seconda dell'energia che possiedono, le radiazioni provocano effetti diversi per interazione con la materia.

Assorbimento: atomi e molecole di materia che assorbe energia passano a uno stato eccitato, aumentando la propria energia interna. Da questo stato decadono rapidamente principalmente per via termica. Il tipo di eccitazione dipende dalla lunghezza d'onda λ della radiazione e quindi dalla quantità di energia trasportata da ogni singolo fotone. La materia è in grado di assorbire energia solo se l'energia dei fotoni è esattamente uguale a quella necessaria a far compiere agli elettroni degli atomi o delle molecole uno dei tanti possibili salti energetici. L'energia di atomi e molecole infatti è quantizzata, cioè ha solo una serie finita di valori. Disponendo adeguati rivelatori sul cammino della radiazione, si può registrare l'intensità della radiazione uscente, che sarà minore della radiazione incidente. Se tale operazione viene effettuata per ogni lunghezza d'onda, otterremo lo spettro di assorbimento, cioè il tracciato dell'assorbimento del campione al variare della lunghezza d'onda λ della radiazione incidente. Questo varia a seconda che la materia si trovi allo stato atomico o molecolare: gli atomi danno luogo solo a transizioni elettroniche, quindi a spettri a righe, mentre le molecole danno luogo anche a transizioni di tipo vibrazionale e rotazionale, quindi a spettri a bande. È possibile ottenere spettri di assorbimento atomico tipici per ogni atomo, costituiti da una serie di righe nere che corrispondono alle transizioni elettroniche caratteristiche di ogni atomo.

Legge di Lambert-Beer

La Legge di Lambert-Beer descrive l'assorbimento delle radiazioni elettromagnetiche da parte di una soluzione di una certa sostanza: A = ε∗c∗d, dove d è lo spessore di una soluzione di una certa sostanza, attraversata da una determinata radiazione monocromatica. L'intensità della radiazione uscente avrà un'intensità I minore di quella I₀ entrante. Il rapporto tra loro due è definito trasmittanza T. L'assorbanza è il logaritmo del reciproco della trasmittanza: A = log (I₀/I) = -log T. La legge di Lambert-Beer stabilisce una proporzionalità tra assorbanza e concentrazione della specie assorbente, dove ε è la costante di proporzionalità, d il cammino ottico e c la concentrazione della soluzione in moli/l. Il coefficiente di estinzione molare indica l'assorbanza a d=1cm e c=1mol/l e dipende dalla lunghezza d'onda della radiazione assorbita, dalla natura del solvente, dal pH e dalla specie chimica che assorbe. Questa legge descrive bene il comportamento di soluzioni molto diluite, con concentrazioni fino a 0,01M. Al di là di tale limite notiamo delle deviazioni della proporzionalità.

Spettrofotometria di assorbimento atomico (AAS)

Utilizzata per la ricerca di elementi in tracce (soprattutto metalli) in matrici di ogni genere. Viene usata quasi esclusivamente per l'analisi quantitativa. L'elemento viene atomizzato e bersagliato con radiazioni di lunghezza d'onda opportuna, quindi per effetto dell'assorbimento atomico, l'intensità del raggio diminuisce e l'attenuazione può essere correlata alla concentrazione dell'elemento nel campione mediante una legge analoga alla Lambert-Beer. Viene impiegata per determinare tracce residue di metalli nei farmaci. È una tecnica altamente specifica, ma ha dei limiti: ciascun elemento richiede una diversa sorgente di radiazione, l'assorbimento dell'ossigeno dell'aria e gas caldi che assorbono.