Cap 6_Introduzione a spettroscopia

SPETTROSCOPIA OTTICA
Principio
• Raggruppa le tecniche di analisi basate sull’ assorbimento o emissione di
radiazioni elettromagnetiche
Scopo
Ottenere informazioni:
• qualitative (quali elementi o composti sono presenti in un campione?)
e
• quantitative (qual è la loro concentrazione?)
sugli analiti presenti in un campione
LE RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE
Possono essere considerate come:
• onde che si muovono alla velocità della luce
• particelle (quanti) di energia chiamati fotoni.
Caratteristiche principali:
• Lunghezza d’onda : distanza tra due massimi o minimi di un’onda
• Frequenza : numero di cicli in un secondo (proporzionale all’energia: E = h)
• Lunghezza d’onda e frequenza sono inversamente proporzionali. Quindi:
piccola lunghezza d’onda  alta frequenza  alta energia
grande lunghezza d’onda  bassa frequenza  bassa energia
L = lunghezza d’onda 
LO SPETTRO ELETTROMAGNETICO
Lo spettro elettromagnetico è l’insieme delle radiazioni elettromagnetiche esistenti in natura, che
hanno nomi diversi a seconda della lunghezza d’onda e frequenza.
Si va da:
Onde radio: grande lunghezza d’onda  bassa frequenza  bassa energia
Fino a:
Raggi cosmici: piccola lunghezza d’onda  alta frequenza  alta energia
Energia crescente da onde radio a raggi cosmici
Lunghezza d’onda crescente da raggi cosmici a onde radio
LA LUCE VISIBILE
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•
•
La luce visibile (luce bianca) è l’insieme delle radiazioni con lunghezza d’onda da 380 a 780
nm: sono le lunghezze d’onda a cui l’occhio umano è sensibile
E’ la somma di componenti colorate (dal violetto al rosso passando per il blu, il verde, il
giallo ecc.), cioè radiazioni aventi lunghezze d’onda comprese nell’intervallo sopra indicato.
Perché un oggetto ci appare colorato? Perché assorbe solo ALCUNE componenti della luce
bianca e ne trasmette altre
LE RADIAZIONI ULTRAVIOLETTE
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•
Sono radiazioni con lunghezza d’onda compresa tra 10 e 380 nm.
Hanno quindi lunghezza d’onda minore e frequenza ed energia maggiore rispetto alle
radiazioni visibili
ASSORBIMENTO ED EMISSIONE DI RADIAZIONI
•
Tutte le molecole e gli atomi sono caratterizzati da stati (livelli) energetici ben definiti.
Assorbimento di una radiazione
•
Un fotone viene assorbito se la sua energia è uguale alla differenza di energia tra uno stato
a energia più bassa e uno a energia più bassa più alti (stato eccitato) di un atomo o di un
composto.
•
L’energia del fotone è trasferita alla particella
M + h
M*
•
Dopo un breve periodo (10-6 – 10-9 s) la specie eccitata si rilassa al suo stato originario.
Emissione di una radiazione
•
Una specie chimica (atomo, ione, molecola) che riceve energia (ad esempio per
riscaldamento) passa a livelli energetici superiori: viene cioè eccitata.
•
La specie eccitata ritorna ad un livello energetico più basso emettendo radiazioni
elettromagnetiche (le radiazioni sono una forma di energia!).
SPETTRO DI ASSORBIMENTO
E’ un grafico che riporta l’entità dell’assorbimento in funzione della lunghezza d’onda.
Esempio di spettro:
Assorbimento (assorbanza)
•

SPETTRO DI EMISSIONE
•
E’ un grafico che riporta l’entità dell’emissione (potenza della radiazione
emessa) in funzione della lunghezza d’onda.
ASSORBIMENTO MOLECOLARE
•
•
•
In una molecola, ad ogni stato energetico elettronico sono associati stati vibrazionali
Le transizioni elettroniche sono accompagnate da transizioni vibrazionali (dallo stato
fondamentale a diversi livelli vibrazionali degli stati elettronici eccitati).
Avvengono quindi molte transizioni a lunghezza d’onda molto ravvicinata. Gli spettri hanno
l’aspetto di bande.
Tratto da Skoog, West,
“Fondamenti di Chimica
Analitica”, Ed. EDISES, Napoli
Esempio di spettro a bande
Tratto da Skoog, West, “Fondamenti di Chimica Analitica”, Ed. EDISES, Napoli
Diagramma dei livelli energetici e dell’assorbimento di
radiazioni da parte di una molecola
ASSORBIMENTO DA PARTE DI ATOMI
•Negli atomi allo stato gassoso non ci sono stati energetici vibrazionali.
•Poche frequenze sono attenuate dall’assorbimento. Si ha quindi uno
spettro a righe.
Tratto da Skoog, West, “Fondamenti di Chimica Analitica”, Ed. EDISES, Napoli
a)
Spettro di assorbimento per vapori di sodio.
b)
Diagramma parziale dei livelli energetici per il sodio. Si
evidenziano le transizioni risultanti dall’assorbimento a 590, 330
e 285 nm