Metodi ottici



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22.05.2018
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METODI OTTICI

I metodi ottici sono metodi di analisi chimica che si basano

sull’interazione radiazione elettromagnetica -materia.

Per poter comprendere il meccanismo dell’interazione tra le radiazioni elettromagnetiche e la materia bisogna prima conoscere in grandi linee la natura delle radiazioni e la struttura della materia.



Proprietà generali delle radiazioni elettromagnetiche.

Una radiazione è una forma di energia,anche detta energia radiante,che si propaga nello spazio sotto forma di onda. Per questo motivo, una radiazione è anche detta onda elettromagnetica.

Caratteristiche delle radiazioni

Le radiazioni si propagano sia nel vuoto,sia nella materia.

c=300000Km/s è la velocità della luce nel vuoto. Esistono dei parametri d’onda cioè delle grandezze che caratterizzano un’onda elettromagnetica

I principali Parametri sono:

frequenza : ν numero di oscillazioni nell’unità di tempo si misura in s-1 ; Herz.

Lunghezza d’onda: λ è la distanza tra due massimi o tra due minimi si misura in metri o nanometri

Energia E è l’energia associata alla singola onda e si misura in Joule( J )o in elettronVolt( eV).

SPETTRO ELETTROMAGNETICO



risultati immagini per onde elettromagnetiche fisica

I valori dei parametri d’onda ci permettono di riconoscere il tipo di onda .

Equazioni che legano i principali parametri d’onda: E= h ν, ν = c/λ

h costante di Plank che ha un valore definito e conosciuto.

L’insieme di tutte le onde elettromagnetiche di diversa qualità costituisce lo spettro elettromagnetico.

Proprietà generali della materia

La materia è organizzata in una serie di particelle: molecole, atomi, protoni, neutroni, elettroni. Tali particelle possono trovarsi in diverse condizioni strutturali (cioè possono avere diverse posizioni e possono essere a diversa distanza reciproca) e in diverse condizioni dinamiche ( si possono muovere in vari modi l’una rispetto all’altra). Ciascuna di queste condizioni definisce uno “stato” in cui gli atomi o le molecole possono trovarsi. I diversi stati, hanno energie differenti.

Esempio due atomi in una molecola possono vibrare, possono ruotare, e i loro elettroni di valenza possono formare i legami o possono non formarli.

Atomi e molecole possono avere solo valori di energia discontinui e definiti corrispondenti ai diversi stati nei quali possono trovarsi. Va sottolineato che atomi e molecole non possono quindi scambiare col mondo circostante un qualsiasi quantitativo di energia ,ma solo quei quantitativi discontinui detti quanti di energia corrispondenti alle differenze di energia tra i vari possibili stati.

Questa caratteristica fondamentale , nota come quantizzazione di energia ,risulta utile nell’analisi chimica, perché ogni sostanza possiede degli stati energetici ben definiti e quindi può cedere o assorbire una serie limitata e specifica di quanti energetici che la rende riconoscibile.

Dopo aver chiarito in modo generale la natura delle radiazioni e la struttura della materia ora chiariamo cosa vuol dire interazione radiazione elettromagnetica -materia.


interazione radiazione elettromagnetica – materia

Quando una radiazione elettromagnetica investe una porzione di materia in determinate condizioni può avvenire una transizione quantistica.

Le tecniche di analisi chimica basate sul riconoscimento della serie di quanti energetici assorbiti o ceduti da un sistema di atomi o molecole sono dette tecniche spettroscopiche. In generale un atomo o molecola se non sollecitato si trova nel suo stato ad energia minore detto stato fondamentale. Se questo atomo o molecola viene investito da una radiaz ione che ha una energia “giusta” esso può saltare a livelli di energia più alta (stati eccitati) questo fenomeno prende il nome di assorbimento. Energia “ giusta” vuol dire che deve essere uguale alla differenza di energia tra i due stati quantici coinvolti nel salto.

Dopo l’eccitazione però si ha il rilassamento e l’ atomo o molecola ritorna al suo stato fondamentale a minore energia il fenomeno viene detto emissione.



L’analisi chimica può sfruttare entrambi i fenomeni, per cui esistono tecniche di spettroscopia di assorbimento e tecniche di spettroscopia di emissione. . Quando un atomo viene investito da una radiazione con giusta energia le uniche transizioni osservabili sono quelle elettroniche,cioè relativi ai passaggi di elettroni da un livello ad un altro.
La Spettroscopia di emissione atomica EA comprende tutti quei metodi che analizzano le radiazioni emesse da atomi o da ioni monoatomici stimolati da un’opportuna sorgente di eccitazione

Il gruppo di radiazioni emesse da un atomo eccitato rappresenta lo “spettro”caratteristico dell’elemento cui quell’atomo appartiene e risulta formato da righe ben distinte. L’analisi in EA è tipicamente qualitativa, perché ogni elemento ha il suo spettro di emissione caratteristico. Si possono comunque effettuare anche analisi quantitative misurando l’ intensità delle radiazioni emesse che risulta proporzionale al numero degli atomi eccitati.





STRUMENTAZIONE_Spettrofotometro_In_Emissione__Sorgente(campione_eccitato)---------------Monocromatore----------------------Rivelatore'>STRUMENTAZIONE
Spettrofotometro In Emissione

Sorgente(campione eccitato)---------------Monocromatore----------------------Rivelatore

  • La sorgente è costituita dal campione in cui l’analita è stato eccitato termicamente

  • Il monocromatore seleziona le radiazioni in base alla lunghezza d’onda o alla frequenza

  • I l rivelatore registra le radiazioni emesse e quindi lo spettro della sostanza che si sta analizzando


STRUMENTAZIONE

Spettrofotometro In Assorbimento

Sorgente-------------- atomizzazione--------------Monocromatore----------------------Rivelatore

  • Sorgente è una lampada che emette radiazioni monocromatiche per ogni elemento da analizzare si usa una lampada opportuna.

  • Atomizzatore è una fiamma che rende il campione formato da atomi

  • Il monocromatore seleziona le radiazioni in base alla lunghezza d’onda o alla frequenza

  • I l rivelatore registra le radiazioni assorbite quindi lo spettro di assorbimento della sostanza che si sta analizzando

una lampada opportuna = se si analizza il sodio si usa la lampada al sodio ecc.
atomizzatore

Spettroscopia molecolare

La Spettroscopia molecolare comprende tutti quei metodi che analizzano le radiazioni emesse o assorbite da molecole stimolate da un’opportuna sorgente di eccitazione. Quando una molecola viene investito da una radiazione con”giusta” energia le transizioni osservabili sono molte più complesse di quelle esercitate su di un atomo .

In una molecola esistono oltre agli stati elettronici quantizzati anche quelli vibrazionali e rotazionali.

Una radiazione che investe una molecola può far avvenire transizioni quantistiche rispettivamente di tipo elettronico, vibrazionale e rotazionale.


Ad ogni transizione elettronica si accompagnano transizioni vibrazionali e ogni transizione vibrazionale è accompagnata da una serie di transizioni rotazionali.

Per questo motivo gli spettri di assorbimento o emissione molecolare sono formati da bande e non da righe. Le bande sono un’insieme di righe vicine date dalle diverse transizioni.


Strumentazione



Asseconda di quale tipi di transizioni quantiche analizziamo avremo diversi tipi di spettri e quindi di analisi spettrofotometriche:

transizioni Elettroniche Spettrofotometria Visibile o UV

transizioni vibrazionali Spettrofotometria IR

transizioni rotazionali Spettrofotometria microonde
transizioni vibrazionali Spettrofotometria IR

Le vibrazioni sono dovute ad allungamento o accorciamento dei legami nelle molecole o al piegamento degli uni verso gli altri Stretching e Bending.

Le molecole assorbono radiazioni IR ad una opportuna frequenza che dipende dalle masse degli atomi e dalla relativa forza del legame. I tripli legami ad esempio essendo più rigidi assorbono a una frequenza più alta di quelli doppi.

Transizioni elettroniche e spettrofotometria UV –VIS

Le transizioni elettroniche considerate nella spettrofotometria UV –VIS sono quelle riguardanti gli elettroni di valenza delle molecole, cioè gli elettroni impegnati nella formazione dei legami molecolari.

In particolare, la spettrofotometria di assorbimento è interessata ai fenomeni di assorbimento delle radiazioni luminose della regione dello spettro elettromagnetico appartenenti al campo del visibile (350 – 850 nm) e del vicino ultravioletto (200 – 350 nm). Viene interessato anche l’UV lontano (10 – 200 nm), anche se in questo caso si opera sotto vuoto.

I composti organici insaturi che possiedono un solo doppio o triplo legame assorbono nel lontano UV; mentre si osserva assorbimento a lunghezze d’onda maggiori se sono presenti due doppi legami coniugati.

Quando i doppi legami sono tanti (sistema polienico) la sostanza appare colorata e assorbe nella regione del visibile .Un griuppo di atomi responsabile di un assorbimento viene detto cromoforo.




La benzaldeide e l’acetofenone sono composti insaturi

Analisi Quantitativa

La legge di Lambert – Beer

Esiste una legge che ci permette di calcolare la concentrazione di campione dal suo assorbimento; questa è la legge di Lambert – Beer, che assume la forma: A = ε ⋅ b ⋅c dove:

A = assorbanza del campione

ε = coefficiente di estinzione molare, specifico per ogni sostanza

b = cammino ottico (cm)

c = concentrazioni (mol / l)

Secondo la legge di Lambert – Beer, dunque, l’assorbanza A è proporzionale sia alla concentrazione della sostanza assorbente, sia allo spessore dello strato attraversato, per cui più elevata è la concentrazione delle molecole che passano dallo stato fondamentale a quello eccita

Ricordiamo infine che l’espressione A = ε ⋅ b ⋅ c è l’equazione che descrive una retta passante per l’origine, dove, per un percorso ottico unitario (1 cm), il coefficiente angolare corrisponde proprio al coefficiente di estinzione molare ε!

Ricordiamo però una cosa: LA LEGGE DI LAMBERT – BEER È UN’ASTRAZIONE, ESSENDO VALIDA SOLO PER SOLUZIONI MOLTO DILUITE! Se la concentrazione del campione è bassa, infatti, esiste proporzionalità fra A e C: Se invece la concentrazione è troppo elevata la legge subisce una deviazione e la proporzionalità viene a mancare.

In questa piccola dispensa ho riassunto la parte più complessa della spettrofotometria da somministrare ai miei studenti di IV pasticceria. Nel riassumere sicuramente non sarò stata molto rigorosa nel linguaggio scientifico, e nel semplificare non sarò stata precisa, l’ho fatto per far capire meglio alcuni concetti veramente difficili ai miei studenti .



Antonella Corrado


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