Spettroscopia Molecolare UV Vis 1

Quantità di campione e concentrazione dell'analita

Scelta del metodo in funzione della sensibilità

Un metodo più sensibile è spesso più costoso.

Accuratezza e precisione

Un metodo più accurato e preciso è normalmente più costoso sia in termini di strumentazione che di tempo.

Natura del campione contenente l'analita

Omogeneità del campione. Trattamento del campione per rendere più facile la determinazione dell'analita (eliminazione di interferenti) con conseguente possibile perdita di quest'ultimo ed innalzamento del limite di rivelabilità.

Numero dei campioni da analizzare

• Pochi campioni: può non essere conveniente utilizzare un metodo che richiede una strumentazione sofisticata e molto tempo per la messa a punto dell'analisi; è preferibile utilizzare un metodo più semplice anche se richiede tempi di esecuzione più lunghi.
• Molti campioni: può essere conveniente l'utilizzo di un metodo costoso e veloce anche se richiede lunghi tempi di messa a punto.

Metodi spettroscopici

Con il termine metodi spettroscopici s'intende l'insieme delle tecniche analitiche che sfruttano l'interazione della radiazione elettromagnetica con la materia. Per avere una sufficiente comprensione del modo in cui atomi e molecole possono interagire con tali radiazioni, è opportuno richiamare, anche se in maniera estremamente semplificata, la moderna struttura della materia.

Struttura atomica

Gli atomi sono costituiti da un nucleo e da elettroni, il cui numero è sempre uguale a quello dei protoni contenuti nel nucleo, rappresentato dal numero atomico, ed è diverso per ogni elemento. Gli elettroni si trovano nella regione circostante il nucleo, tuttavia la meccanica quantistica rifiuta l'interpretazione dell'elettrone solo come una particella, essendo il suo comportamento assimilabile anche a quello di un'onda. Ciò comporta che non è possibile definire contemporaneamente e con precisione la posizione e la velocità dell'elettrone (Principio di Indeterminazione di Heisenberg).

In mancanza di una certezza di questo tipo, la fisica moderna dà un'interpretazione probabilistica dell'elettrone, accontentandosi di indagare la probabilità di trovarlo in una certa regione dello spazio. Si definisce così orbitale atomico quella regione di spazio attorno al nucleo atomico in cui la probabilità di trovare un elettrone è fissata convenzionalmente al 90% ed è delimitata da una superficie sulla quale il modulo dell'ampiezza della funzione d'onda è costante.

Visivamente, tale orbitale può essere rappresentato come una nuvola (per questo vengono anche chiamati nubi elettroniche) la cui densità è proporzionale alla densità di probabilità. In base al principio di esclusione di Pauli, ogni orbitale può contenere al massimo due elettroni. La disposizione degli elettroni negli orbitali atomici costituisce la configurazione elettronica di un atomo, dalla quale dipendono la reattività (la valenza) e la geometria delle molecole che questi va a comporre.

Gli orbitali vengono riempiti partendo da quelli ad energia minima (stato fondamentale) e riempiendo, via via, quelli ad energia superiore; se sono presenti degli orbitali degeneri (cioè a uguale energia) gli elettroni si distribuiscono preferenzialmente in modo da occuparne il maggior numero (massima molteplicità possibile). Ciò che caratterizza un orbitale, quindi, non è solo la sua forma, ma soprattutto la sua energia.

In altre parole, associare un elettrone a un orbitale non significa solo localizzare in un certo modo la sua zona di spazio in cui con più probabilità si potrà trovare, ma soprattutto associarvi un certo livello di energia potenziale, il quale aumenta all'aumentare della distanza dal nucleo. Gli orbitali vengono riempiti partendo da quelli ad energia minima, e questo perché gli elettroni si distribuiscono negli orbitali in modo da possedere la minor energia potenziale possibile.

Poiché ogni atomo possiede un numero determinato di elettroni, esso sarà anche caratterizzato da una certa energia interna che complessivamente, considerati anche i moti traslazionali dell'atomo nello spazio, può essere rappresentata come:

E_atomica = E_nucleare + E_elettronica + E_{traslazionale}

• E_nucleare: dovuta alle interazioni a livello del nucleo;
• E_elettronica: dovuta alle interazioni fra elettroni e nucleo e fra gli elettroni stessi, e al moto degli elettroni;
• E_{traslazionale}: dipendente dalla velocità con cui l'atomo si sposta nello spazio.

Struttura molecolare

Nel caso delle molecole, il discorso è un po' più complesso. Le molecole sono costituite dall'associazione stabile di più atomi tenuti assieme da legami chimici di diversa natura. La formazione di questi legami viene modernamente interpretata come un'interazione (sovrapposizione) fra gli orbitali atomici che vanno a formare i cosiddetti orbitali molecolari. Quando n orbitali atomici interagiscono fra di loro si formano n orbitali molecolari, principalmente di due tipi:

• Orbitali molecolari di legame
• Orbitali molecolari di antilegame

I primi si trovano sempre ad un livello energetico inferiore rispetto ai secondi, ed è per questo che vengono abitualmente occupati dagli elettroni coinvolti nel legame. Ad esempio, la combinazione lineare degli orbitali atomici 1s di due atomi di idrogeno porta alla formazione di due orbitali molecolari, uno di legame (σ) e uno di antilegame (σ*). Gli elettroni, come si nota, occupano l'orbitale a più bassa energia.

Nella molecola possono esistere anche orbitali non direttamente impegnati nei legami che, tuttavia, possiedono livelli energetici con valori intermedi rispetto ai precedenti che vengono definiti orbitali molecolari di non-legame (n) che si trovano in atomi come ossigeno e azoto, quando i doppietti elettronici disponibili non sono coinvolti in legami chimici veri e propri.

Anche nel caso delle molecole, gli elettroni di valenza si collocano negli orbitali molecolari disponibili a più bassa energia, e in analogia con quanto detto per gli atomi, anche per le molecole si può parlare di energia interna che deriva dalla somma di diversi contributi.

• Alla possibile rotazione della molecola
• Alla vibrazione dei legami chimici

In conclusione, il contributo energetico di una molecola è dato da:

E_molecolare = E_atomica + E_rotazionale + E_vibrazionale

E_molecolare = E_nucleare + E_elettronica + E_{traslazionale} + E_rotazionale + E_vibrazionale

Ora, le tre forme di movimento danno, insieme, l'energia cinetica della molecola, ed il suo valore è proporzionale alla temperatura assoluta. Quindi:

E_cinetica = E_{traslazionale} + E_rotazionale + E_vibrazionale ∝ E_{T (K)}

Radiazione elettromagnetica

Alcuni fenomeni fisici a cui danno origine le radiazioni elettromagnetiche (diffrazione, rifrazione, riflessione, interferenza) possono essere descritti convenientemente attraverso il modello ondulatorio classico, che utilizza parametri come lunghezza d'onda, frequenza, velocità, ampiezza. Altri fenomeni (effetto fotoelettrico, effetto Compton), però, non sono spiegabili con questo modello, e occorre guardare alla radiazione elettromagnetica come un flusso di particelle distinte o come pacchetti di energia, chiamati quanti o fotoni.

La teoria della meccanica ondulatoria integra le due rappresentazioni: la radiazione elettromagnetica cioè è descritta simultaneamente sia come un'onda (natura ondulatoria), sia come una serie di pacchetti discreti di energia, i fotoni (natura corpuscolare).

Nella descrizione ondulatoria, si utilizza la rappresentazione classica di un'onda sinusoidale. La radiazione elettromagnetica quindi può considerarsi quindi un'onda autopropagantesi di campi magnetici ed elettrici perpendicolari fra loro e perpendicolari alla direzione di propagazione. Qualora venga imposto il piano in cui oscilla il campo elettrico, la radiazione si dice polarizzata. I parametri d'onda sono:

• Lunghezza d'onda (λ): Corrisponde alla distanza fra due punti successivi in fase fra di loro (ad esempio due massimi o due minimi) λ=c/ν
• Velocità dell'onda (c): Velocità della luce nel mezzo in cui si propaga
• Frequenza (ν): Numero di oscillazioni per secondo, ovvero il numero di onde che transitano per un punto in un secondo ν=1/τ
• Periodo (τ): Tempo richiesto per il passaggio di due successivi massimi d'onda attraverso un punto τ =1/ν
• Numero d'onda (ν): Numero di onde per centimetro ν =1/λ
• Ampiezza (A): Massimo spostamento di un punto nel piano di propagazione rispetto all'asse di riferimento.
• Potere radiante (P): È l'energia totale (Watt) di radiazione elettromagnetica emessa, riflessa, trasmessa o ricevuta, da una sorgente o da una determinata superficie per unità di tempo.

Facendo riferimento all'energia trasportata da una radiazione elettromagnetica è molto più comodo fare alla sua natura corpuscolare per la quale la radiazione elettromagnetica è costituita da 'pacchetti discreti' di energia, i fotoni, la cui energia dipende dalla frequenza, secondo l'equazione di Planck:

E = hν = hc/λ = hc ν

dove h è la costante di Planck (6.62607015 × 10^-34 J·s); energia e frequenza sono quindi direttamente proporzionali.

Questa relazione ci indica l'energia associata a ciascun fotone per ogni fascio di frequenza ν; per cui un fascio di luce è più o meno intenso a seconda che porti più o meno fotoni nell'unità di tempo, ma l'energia di ciascun fotone è sempre la stessa per una determinata frequenza della radiazione.

Interazioni tra radiazione e materia

Ogni volta che una radiazione elettromagnetica incontra la materia si possono verificare diversi tipi di interazione, i quali sono tutti interpretabili come iniziale trasferimento di energia dalla radiazione alla materia, seguita da una completa riemissione dell'energia sotto varie forme. In particolare, i cosiddetti metodi spettroscopici si basano sullo studio dei fenomeni connessi con l'assorbimento o con l'emissione da parte della materia sotto forma di energia elettromagnetica.

Nella spettroscopia di assorbimento viene misurata la diminuzione dell'intensità della radiazione in conseguenza della sua interazione con l'analita. Nella spettroscopia di emissione viene invece misurata l'intensità della radiazione emessa dall'analita quando questo viene eccitato con energia termica, elettrica o radiante.

In un esperimento di spettroscopia molecolare la radiazione elettromagnetica di una certa lunghezza d'onda (λ) (o di frequenza ν = c/λ) viene inviata su un campione, si misurano quindi certe proprietà della radiazione trasmessa o emessa dal campione:

• La quantità di radiazione incidente assorbita in funzione della lunghezza d'onda dal campione (Spettroscopia elettronica, UV-Vis, e vibrazionale, IR)
• La radiazione emessa o diffusa dal campione a lunghezze d'onda diverse da quella della radiazione incidente (Spettroscopia di fluorescenza, fosforescenza e Raman)
• La quantità di radiazione incidente assorbita di frequenza risonante con un campo magnetico esterno in conseguenza dell'orientazione dello spin elettronico (EPR o ESR) o nucleare (NMR)

Queste tecniche ci permettono di ottenere informazioni da un punto di vista sia qualitativo che quantitativo; infatti:

• La lunghezza d'onda delle radiazioni emesse o assorbite sono caratteristiche delle varie sostanze: ciò consente di ottenere informazioni qualitative.
• L'intensità delle radiazioni emesse o assorbite dipendono dalla quantità di sostanza: ciò consente di ottenere informazioni quantitative.

Uno spettro, di assorbimento o di emissione, è un grafico che riporta in ordinata l'intensità della radiazione emessa o assorbita e in ascissa la lunghezza d'onda; di conseguenza, dall'ordinata si ottengono le informazioni quantitative e dall'ascissa quelle qualitative.

A temperatura ambiente, quali livelli elettronici occupano mediamente le molecole? Per ottenere questa informazione utilizziamo l'equazione di Boltzmann, applicabile a sistemi all'equilibrio termico:

N_j / N₀ ∝ e^-ΔE/kT

dove N_j e N₀ sono il numero di molecole presenti in uno stato eccitato e in quello fondamentale rispettivamente; ΔE è la differenza di energia che esiste fra i due livelli espressa in J; k è la costante di Boltzmann.