descrizione sintetica degli spettri di massa

Misure di Spettrometria di massa
Per le misure di spettometria di massa è stato usato un sistema schematizzato in figura 1, di
seguito si riportano gli spettri secondo la sequenza temporale in cui sono stati acquisiti:
La parte principale è la cameretta cubica, in cui si trova lo spettrometro di massa (E) ed il
misuratore di alto vuoto (D). Tale camera viene evacuata dalla pompa turbo molecolare (B) di
velocità di pompaggio 70 l/s, a sua volta tale pompa richiede una pompa di prevuoto ( o basso vuoto
Figura 1 Schema a blocchi del sistema utilizzato per la spettrometria di massa: A camera cubica di lato 100 mm, B pompa da alto vuoto, C pompa da basso vuoto, D misuratore di alto vuoto, che misura la pressione nella camera A, dove si trova alloggiato lo indicata con C), quella utilizza è una pompa a membrane.
spettrometro di massa (E), F valvola di regolazione fine per l’immissione di piccole quantità di gas in A dal volumetto G, tenuto Nalla camera A è possibile campionare del gas dal volume (G) attraverso una valvola (F) a
alla pressione costante di 10 mbar, campionando il volume H alla pressione di un atmosfera, dove si trova aria o insieme gas. perdita piccola. Per fare questo la pressione (Pcamp) nel volume G è tenuta costantemente a 10
mbar, grazie al sistema indicato in figura 1 con linee di colore blu. Il gas viene costantemente
prelevato dal volume H tenuto sempre aperto, e nel quale possiamo spruzzare gas vari, quindi
comunque avremo nel volume aria e il gas che si aggiunge.
L’esperienza è stato condotta acquisendo prima lo spettro del sistema da vuoto alla pressione
misurata in A PSMM= 2.7 10-6 mbar. In figura 2 è riportato lo spettro di massa da 0 a 50 unità di
massa atomica sull’ascisse (asse x) riportando sulle ordinate (asse y) la corrente ionica in scala
logaritmica. Di solito in vuoto i gas che risultano dominanti, subito dopo l’evacuazione dall’aria,
sono i gas costituinti l’aria, anche presenti per permeazione, ma soprattutto l’acqua, che aderisce
alle superfici interne e per rimuoverla bisogna cuocere le camere a 200 °C per almeno 48 h. Si
ricorda che di solito la spettrometria di massa permette di rilevare il rapporto m/q, massa diviso
carica, dove si espremi la massa in unità di massa atomica (amu= atomic mass unit) e la carica in
unità di carica elementare e. Percui quanto visto sullo spettro come 14 amu, potrebbe essere N2+ + ,
la molecola di azoto ionizzata due volte o l’atomo N+ l’atomo. L’obiettivo di queste misure per gli
studenti del liceo è solo di tipo qualitativo, percui non ci inoltreremo in tali problematiche.
Dopo aver acquisito lo spettro di massa in vuoto, apriamo la valvola che mette in comunicazione
il volume G con il volume A. Immettendo una quantità maggiore di gas, osserviamo un aumento
della pressione PSMM = 1.2 10-5 mbar).
Si riporta lo spettro di massa acquisito in figura 3. Si osservi che compare come atteso un picco
di Azoto individuato con certezza in 28 amu N2+ e con l’equivoco tra N+ e N2+ + 14 amu. Si osservi anche l’apparire di O2+ (32) e con equivoco O+ e ++
O2 .
Si potrebbe verificare la proporzione attesa tra N2 e O2 secondo quanto riportato per l’aria ovvero il 76 % N2 e 21 % di O2 . Per fare questo acquisiamo uno spettro con la scala delle ordinate lineare, il grafico riportato in figura 4 permette di verificare il rapporto tra azoto ed ossigeno, dato che la sensibilità è equivalente e pari a 1 (vedere nella lezione due la misura delle pressioni per ionizzazione). Osserviamo poi se, sempre campionando l’aria, si osservano masse maggiori, come riportato nella figura 5, dove si ha una spettro di massa da 35 a 120 amu. Successivamente abbiamo campionato l’alito di Marco, come si può vedere in figura 6. Si osserva la comparsa di un picco a 43 amu, ma vedremo dopo la calibrazione che si tranne di CO2 di massa 44 amu. Per essere sicuri, dato che dalla figura 5, prima di alitare, siamo passati dalla scala logaritmica a quella lineare, abbiamo ripulito il volume H con una pistola ad aria compressa eppoi acquisito lo spettro di massa nelle stesse condizoni, si osservi nella figura 7 la riduzione del picco centrato su 43 (44 calibrato) amu. Si osservi come in figura 7 il rapporto tra l’altezza del picco di ossigeno e quello di anidride carbonica sia aumentato rispetto alla figura 6. Vogliamo ora provare a vedere cosa si riesce ad osservare facendo evaporare dell’alcole etilico nel volume H. Fiduciosi della compresione qualitativo di quali masse si osservano si fa una prova vaporizzando
alcole etilico o etanolo di cui ricordiamo la formula chimica (C2H6O):
Si può osservare, ovviamente dopo aver calibrato la massa misurata, quali masse si osservano
nell’immettere nel volume tale molecola. Riportiamo prima uno spettro di riferimento (fig. 8) , con
una sensibilità superiore per avere poi il dettaglio sulle masse che ci interessano.
Con l’alcole etilico abbiamo acquisito due spettri, che potrebbero differire nell’altezza dei picchi,
per condizioni di evaporazione diverse.
Si richiede agli studenti di individurare picchi nuovi per confronto con lo spettro di riferimento
di figura 8 e individuaare quali pezzi (pareti) possono essere individuati dalla molecola madre.
Dato che abbiamo osservato che la CO2 è risultata spostata rispetto al valore atteso, usiamo
quindi due gas di massa noti per calibrare l’asse delle ascisse.
Si osserva infatti che la scala è leggeremente scalibrata, il peso molecolare dell’argon è 40 amu. Osservando con attenzione si vede che tutti i picchi risultano spostati. Con un atomo più leggero (He) si osservi dove appare il picco per trovare una correzione. Si osserva che He si trova bene su massa 4. La correzione che dobbiamo apportare è del tipo y= A+Bx, con x il valore letto come unità di massa molecolare e con y quello che dovrebbe essere. He: 4
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Si ricava per B= 36/35=1.03, e per A=0. Per esempio applicato a massa lette 27 (anche leggermente di più si osserva in fatti y=36/35*27=27,8 ~ 28. Si osserva un picco sul valore 43, che calibrato fornisce y=36/35 (43) = 44 ovvero CO2.
Si lascia agli studenti quindi riportare le masse calibrate dei prodotti di frammentazione
dell’alcole etilico.