Chimica analitica - tecniche spettroscopiche

TECNICHE SPETTROSCOPICHE

Sono tecniche che sfruttano le interazioni tra le radiazioni elettromagnetiche e la materia.

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.

Le tecniche spettroscopiche si basano sulle interazioni tra una radiazione elettromagnetica e

la materia, quindi esistono varie interazioni:

RIFRAZIONE= l’onda attraversa la superficie di

1. 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 tecnica che sfrutta la rifrazione è la Rifrattometria, basata sulla

.

λ

determinazione dell’indice di rifrazione e sullo studio delle relative applicazioni

analitiche.

RIFLESSIONE= quando un onda elettromagnetica viene respinta dalla superficie

2. sulla quale incide. Ci sono due possibilità:

Riflessione speculare: quando la superficie è liscia. L’angolo

a. di rifrazione è uguale all’angolo di incidenza. L’onda non

varia le proprie caratteristiche

Riflessione diffusa: la superficie su cui incide non è

b. 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= la radiazione incidente viene riemessa in direzioni casuali nello

3. spazio. Ce ne sono vari tipi

Diffusione in mezzo trasparente: la radiazione può

a. propagarsi nel mezzo e viene dispersa in modo non

omogeneo in tutte le direzioni dello spazio. Viene sfruttato

dalla turbidimetria e dalla nefelometria, che misurano la

trasparenza delle soluzioni

Diffusione di Raman: una piccolissima frazione della

b. 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= un fascio di luce attraversa una fenditura

4. o un foro su un mezzo opaco la cui ampiezza ha lo stesso

ordine di lunghezza di della radiazione incidente, su uno

λ

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: viene sfruttata dalla polarimetria, che consente di

5. determinare il potere ottico rotatorio α

di molecole organiche otticamente

attive

LUMINESCENZA: è ka capacità di

6. alcune sostanze di assorbire luce a

frequenza relativamente alte e

riemetterle in maniera discreta a

frequenze basse. Si hanno due tipi di

luminescenza: fluorescenza e

fosforescenza. La fluorescenza viene

sfruttata dalla fluorimetria.

ASSORBIMENTO: la materia viene attraversata da una radiazione ed è in grado di

7. 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 della radiazione e

λ

quindi dalla quantità di E 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 della

λ

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

caratterisctiche di ogni atomo.

LEGGE DI LAMBERT-BEER : descrive l’assorbimento delle radiazioni

elettromagnetiche da parte di una soluzione di una certa sostanza:

A = ε∗c∗d

d è lo spessore di una soluzione di una certa sostanza,

attraversata da una determinata radiazione

monocromatica. L’intensità della radiazione uscente

avrà ina 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: 1 I0

log log

A = =

T I

La legge di Lambert-Beer stabilisce una proporzionalità tra assorbanza a 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=1, e dipende dalla

ε

lunghezza d0onda 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 matrice 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 le radiazioni

in determinate regioni spettrali.

Per determinare la quantità di ciascun elemento si atomizza il campione, si eccitano i suoi

atomi con opportune radiazioni e si misura la radiazione assorbita. Con i comuni sistemi,

almeno il 99,9% degli atomi di un elemento si trova nel livello elettronico fondamentale.

Quindi tutti gli atomi possono essere eccitati dalla radiazione che li investe. L’assorbimento è

direttamente proporzionale alla popolazione di atomi presenti sul cammino ottico, e quindi

alla concentrazione dell’elemento nel campione. Segue quindi una legge analoga alla

Lambert-Beer: A=x∗b∗N

Vale per un generico elemento eccitato da una radiazione monocromatica i cui atomi siano in

fase gassosa, dove A è l’assorbanza, X il coefficiente di assorbimento, b il cammino ottico e

N il numero di atomi liberi. Vale sempre A=log(Io/I).

La AAS consente teoricamente di analizzare qualunque elemento, basta trovare il sistema di

atomizzarlo e individuare la riga più adatta all’analisi, che può darsi non sia la più intensa, in

quanto potrebbe essere vicina alla riga caratteristica di un altro elemento. Il campo spettrale

va da 852,1nm (cesio) a 193,7nm (arsenico), quindi nel campo spettrale degli

spettrofotometri UV-Vis. L’AAS può essere a monoraggio o a doppio raggio.

Spettrofotometro a monoraggio

La sorgente emette solo la radiazione

caratteristica dell’elemento che ci interessa

analizzare. Questa attraversa il campione portato

al suo stato atomico da una fiamma. Il segnale in

uscita passa attraverso un monocromatore, che

elimina le radiazioni che non interessano. Infine la

radiazione passa al rivelatore che produce una corrente elettrica direttamente proporzionale

all’intensità del raggio. Il segnale ottenuto viene espresso sotto forma numerica sul display

come assorbanza. Spettrofotometro a doppio raggio

È più preciso, c’è la presenza in più del

raggio di riferimento, che non passa

attraverso il campione. Il suo compito è

quello di compensare le variazioni di

intensità della sorgente o di sensibilità del

rivelatore o, infine, le fluttuazioni del sistema

elettronico in genere

Sorgenti

Tutte si basano sul principio di eccitare gli atomi dell’elemento in modo che emettano

radiazioni alle caratteristiche lunghezze d’onda, che vengono poi assorbite dal campione allo

stato di gas atomico. Questo tipo di analisi è rivolto solo a indagini di tipo quantitativo, che

non richiedono la registrazione di spettri, e quindi la lampada non deve emettere in tutto il

campo spettrale. Tre sono le sorgenti più usate:

Lampada a “catodo cavo”;

1. Lampada a “scarica in radiofrequenza”;

2. Lampada a “scarica elettrodica di gas”;

3. Sono le più usate, contendono un catodo cavo cilindrico, composto dall’elemento che

1) si vuole analizzare. L’anodo è in tungsteno o nichel. Il bulbo è in vetro riempito di gas

inerte, che viene ionizzato quando si applica una ddp ai due elettrodi. Gli ioni positivi

urtano il catodo e provocano l’espulsione di atomi di metalli allo stato fondamentale

(sputtering) e porta alla formazione di atomi vaporizzati, i quali collidono con altri

ioni positivi del gas eccitandosi. L’eccitazione e il rilassamento di tali atomi

provocano l’emissione di energia luminosa come banda spettrale a righe discrete

caratteristiche dell’elemento. L’emissione dalle lampade a scarica è caratterizzata dai

cosiddetti spettri di emissione a righe, ovvero da spettri in cui sono presenti solo certe

lunghezze d’onda caratteristiche dell’elemento chimico considerato, le stesse che

saranno assorbite dal campione allo stato chimico nel comparto di atomizzazione.

Esistono due tipi di lampade a catodo cavo: lampade a singolo filamento, con cui si

possono effettuare analisi di singoli elementi anche a elevata sensibilità, e lampade a

multielemento, con cui è possibile analizzare più elementi in successione, che

comportano però una diminuzione della sensibilità e danno qualche volta origine a

problemi di sovrapposizione spettrale. La durata di una lampada è di circa 5 amperora,

un centinaio di ore, dopo vi è una

diminuzione della sensibilità. Un problema

frequente è la formazione di gas inorganici

formati durante l’atomizzazione (H2 e O2).

Hanno un bulbo di vetro nel quale si trova la bobina

2) di

un

generatore di radiofrequenza.

Dentro la bobina c’è un bulbo al

quarzo contenente l’elemento da analizzare. L’energia generata dal campo vaporizza

l’elemento e ne eccita gli atomi provocando l’emissione dello spettro caratteristico con

intensità superiore alle altre lampade, e hanno anche vita più lunga, ma non sono in

commercio per tutti gli elementi.

Sistemi di atomizzazione del campione Atomizzazione a fiamma: la soluzione col

• campione viene aspirata attraverso un nebulizzatore

pneumatico e introdotta come spray nella camera di

premiscelazione dove viene mescolato con una

miscela combustibile-comburente. Il tutto viene trasportato nel bruciatore dove

avviene la volatilizzazione e l’atomizzazione. La testata del bruciatore è in titanio per

resistere al calore e alla corrosione, e sono di diverso tipo: 10cm con una fenditura per

fiamma aria-acetilene, la più usata, da 10cm con tre fenditure per soluzioni ad alto

contenuto di solidi sciolti, e da 5cm per fiamma a protossido di azoto-acetilene e per

fiamma aria-acetilene Fornetto di grafita: un piccolo volume di

• campione viene introdotto nel tubo di

grafie e posto sul cammino ottico della

radiazione. Nel tubo fluisce un gas inerte

che espelle l’aria rendendo l’atmosfera

non ossidate e adatta a far rimanere gli

atomi allo stato fondamentale. Il tubo

viene scaldato elettricamente secondo un programma a tre stadi che portano a:

evaporazione del solvente, incenerimento, atomizzazione. Consente di lavorare su

aliquote molto piccole di sostanza.

Sistema a vapori freddi:

• per il mercurio, si ricorre

ell’analisi dei vapori freddi

otteuti per via chimica. Il

campione con Hg viene fatto

reagire con un potente

riducente. Hg° formatosi

viene allontanato facendo gorgogliare dell’aria nella soluzione, che veine essicata e

indirizzata sulla cella a tubo orizzontale dio uno spettrofotometro attraversata dalla

radiazione. Alla fine di tutto, la radiazione in uscita dall’atomizzatore

passa poi attraverso un monocromatore che deve ripulire

la radiazione policromatica proveniente dalla fiamma per

poi dirigerla sul rivelatore. Il rivelatore produce una

corrente elettrica direttamente proporzionale all’intensità

del raggio. Tale corrente viene amplificata e il segnale

ottenuto viene espresso sotto forma numerica sul display

come assorbanza A.

Analisi quantitativa

Dalla misura dell’assorbanza del campione è possibile ricavare la concentrazione del

campione applicando la legge di Lambert-Beer e conoscendo il coefficiente di assorbimento

atomico di quell’elemento (X) e il cammino ottico (b).