Chimica Analitica Strumentale: metodi spettroscopici e cromatografici

Elementi di chimica analitica strumentale

Fionato Cordi
Pionpaolo Protsi Tarcislo Ruaró

Tecniche di analisi per Biotecnologie ambientali e sanitarie

3V4
G.F. PEDULLI
METODI FISICI
IN
CHIMICA ORGANICA
Princípi e applicazioni di tecniche spettroscopiche
Con la collaborazione di
A. ALBERTI E M. LUCARINI
130
PICCIN
IIS Ettore Majorana
Classe IV - Istituto Tecnico Tecnologico
Articolazione Biotecnologie Sanitarie
Marta Cipollone

Quali tecniche analitiche studiamo?

Metodi spettroscopici

• Spettrofotometria
  UV-visibile
• Spettrofotometria IR

Tecniche cromatografiche

• TLC
• Cromatografia su colonna
  a bassa pressione
• Gascromatografia
• HPLC

Tecniche spettroscopiche

si basano sullo studio dell'interazione della
radiazione elettromagnetica con la materia.

NIV
4068 A
He
1 Hell
4536 A
H
4341A
Brevi impulsi di luce UV
illuminano la superficie da
analizzare
N
4530
Hell
4859
H beta
4861 A
Hell
He II
5411 A
6560 A
1
Hel
5875 A
6543 A
NIV
T117 A
1348
La telecamera intensificata
acquisis ce immagini della
fluores cenza emessa
5
45
WIR 136 (HD 192163) Star spectrum -Fulvio Mete - CS @ 6,3 + Star Analyser ST& camera - 08.05.2010
L'apparato strumentale di fluorescenza per immagini
risolte in tempo (FLIM) durante le misure su affreschi
di Masolino da Panicale

Sono tecniche non distruttive. Possono essere utilizzate anche su
campioni non purificati.
6
55
€ 26/03-55.00 y 2
12/02/15 16.72.79
analisi qualitativa e quantitativa di composti organici
1960
Ha

Luce e radiazioni: il colore

ХЗЯТЯ
Gli scambi di energia tra radiazione
elettromagnetica e materia sono evidenti ad occhio
nudo nel caso di radiazioni che cadono nel campo
visibile (luce visibile).
Ad esempio perché la soluzione di CuSO ci
appare blu?
Un fascio di luce bianca attraversa una soluzione
di solfato di rame (II) e le particelle in soluzione
interagiscono con la luce, assorbendo alcune
radiazioni; il fascio di luce risulterà mancante di
tali radiazioni, con un conseguente effetto colore
(in questo caso blu).
Nel campo delle radiazioni visibili, possiamo
affermare che c'è stata interazione con la materia
se si nota un cambiamento di colore oppure una
semplice diminuzione di intensità del fascio di
radiazioni.

Colori complementari

800
Lunghezza d'onda (nm)
Colore assorbito Colore complementare
650-780
rosso
blu-verde
700-
595-650
arancio
blu-verdastro
560-595
giallo-verde
porpora
600-
500-560
verde
rosso-porpora
490-500
verde-bluastro
rosso
500-
480-490
blu-verdastro
arancio
435-480
blu
giallo
400-
380-435
violetto
giallo-verde
Noi vediamo gli oggetti colorati perché essi assorbono la luce di particolari
lunghezze d'onda riflettendo le altre quindi ai nostri occhi giungono solo le
radiazioni riflesse.

Il colore

Il colore di un oggetto dipende dalla composizione
spettrale della luce che lo illumina.
Una mela illuminata da luce bianca appare verde
perchè assorbe il rosso.
Come appare se
illuminata da un fascio
di luce rossa?
dreamstime
Un oggetto appare bianco se riflette e trasmette tutti i
colori. Appare nero se asorbe tutti i colori.

Natura delle radiazioni elettromagnetiche

Dualismo onda-particella

Possiamo utilizzare una doppia rappresentazione, si rappresenta
- come un' onda elettromagnetica (natura ondulatoria)
- come una serie di pacchetti discreti di energia, i fotoni (natura
corpuscolare).
Le due rappresentazioni non sono in contrasto: una si adatta bene al
mondo macroscopico (onda) e l'altra al mondo atomico e
molecolare (fotoni).
Una corretta descrizione si effettua con formalismi più complessi,
basati sulla fisica quantistica (in gran parte al di là degli obiettivi
didattici di questo corso): si farà pertanto uso dei più comuni
modelli semplificati.

Natura ondulatoria della radiazione elettromagnetica

Electric Field Oscillation
2
frequenza
V=c/2
Wavelength
Propagation
Magnet Field Oscillation
Lunghezza d'onda (2): distanza tra due massimi
Frequenza (v): numero di oscillazioni in 1 secondo

Caratteristiche della radiazione elettromagnetica

2 = Lunghezza d'onda (in nm)
2
I = ampiezza e corrisponde
all'Intensità della radiazione
v = Frequenza (in cps, Hz)
V=
C
2
Frequenza
in Hertz
12
1
2
Numero
d'onda in cm-1
per 2. = 10-3 cm
V = 1000 cm-1
Numero d'onda (cm-1) = 107/2 (nm) = 104 /2 (p)
1 kcal =4,184 KJ/mol; 1 eV = 97 KJ/mol
E = hv =
hc
2
¿ è inversamente proporzionale a &
v è direttamente proporzionale a &
c = velocita della luce nel vuoto
2.99 x 1^^0 cm/sec
2 può essere espressa in:
Å 10-10 m (Angstrom)
nm 10-9 m (Nanometro)
um 10-6 m (micrometro)
cm 10-2 m (centimetro)

Parametri delle radiazioni elettromagnetiche

Frequenza

v(ni)
è il numero di vibrazioni nell'unità di tempo
Si misura in s-1 ovvero in Hertz (Hz)

Periodo

T
è il tempo necessario a compiere
un'oscillazione completa (percorrere uno
spazio pari alla lunghezza d'onda)
Si misura in s.

Lunghezza d'onda

2
è la distanza tra due massimi consecutivi
Sii misura in m, cm, um, nm

Velocità di propagazione

c
dipende dal mezzo in cui si propaga la
radiazione
Nel vuoto è 300000 km/s (3,00 x 108 m/s)

Natura corpuscolare della radiazione elettromagnetica

Una radiazione elettromagnetica consiste di pacchetti di FOTONI* la cui energia
dipende dalla frequenza della radiazione secondo l'equazione:
E = hv = -
hc
2
K
Velocità della luce
(3×108 m/s)
Costante di Planck
(6.626×10-34 J s)
Frequenza (s)
Lunghezza
d'onda (m)
L'energia di un fotone viene anche espressa in elettronvolt: leV=1,6 x10-19 J
Dall'equazione risulta che energia e frequenza sono direttamente proporzionali,
maggiore è la frequenza maggiore sarà l'energia della radiazione.
L'energia di ciascun fotone (quanto di energia) è sempre la stessa per una
determinata frequenza della radiazione.
L'intensità della radiazione dipende invece dal numero di fotoni.
*possiamo considerare il fotone come una particella priva di massa che trasporta energia e si muove
nella direzione di propagazione dell'onda.

ESERCIZIO

Scaldando ioni sodio sulla fiamma di un bunsen si osserva
l'emissione di giallo-arancio con una lunghezza d'onda di 590 nm.

1. Esprimi la lunghezza d'onda in micron, nm e Angstrom.
2. Calcola la frequenza della radiazione.
3. Calcola l'energia di un fotone.
4. Calcola l'energia di di una mole di fotoni.

SPETTRO ELETTROMAGNETICO

Insieme di radiazioni elettromagnetiche caratterizzate da uno
specifico valore di energia, frequenza e lunghezza d'onda.
ultravioletti
luce visibile
infrarossi
10
400
450
500
550 -
600
650
. 700
750
800
1.000
10.000
nm
Frequenza v (Hz)
1024
1022
1020
1018
1016
-1014
1012
1010
108
106
104
Raggi gamma
Raggi X
UV
Infrarossi
Microonde
Onde radio
10-16
10-14
10-12
10-10
10-8
110-6
10-4
10-2
100
102
104
Lunghezza d'onda À (m)

SPETTRO ELETTROMAGNETICO

Penetra l'atmosfera
terrestre?
Si
No
Si
No
Tipo di radiazione Radio
Lunghezza d'onda (m)
103
Microonde
10-2
Infrarosso
10-5
Visibile
0.5×10-6
Ultravioletto Raggi X Raggi Gamma
10-8
10-10
10-12
Scala approssimativa
della lunghezza d'onda
Edifici Esseri umani Farfalle
Punta di
un ago
Protozoi
Molecole
Atomi
Nuclei atomici
Frequenza (Hz)
104
108
1012
1015
1016
1018
20
aumenta la frequenza e l'energia
1
aumenta la lunghezza d'onda

Luce monocromatica e policromatica

· La luce "bianca" è una radiazione policromatica costituita da radiazioni di diversa lunghezza d'onda e
frequenza
. La luce monocromatica è caratterizzata da una singola lunghezza d'onda e quindi una sola frequenza
488 nm per il blu, 560 per il giallo ecc)
Per sapere se un fascio di luce è monocromatico o policromatico è sufficiente farlo passare attraverso
un prisma: se il raggio rimane unico si può dire che è costituito da radiazioni di una sola frequenza, cioè
che è monocromatico; se invece è policromatico, viene scomposto in diversi raggi.
La luce bianca che colpisce un prisma di vetro viene
scomposta in diversi colori. Quando un raggio di luce
passa da un mezzo ad un altro viene deviato (fenomeno
detto RIFRAZIONE): l'entità della deviazione dipende
dalla lunghezza d'onda del raggio incidente.
-
Dispersion
Angle
WHITE
RED
ORANGE
YELLOW
GREEN
BLUE
INDIGO
VIOLET

Luce monocromatica e policromatica

fenomeno della rifrazione

La dispersione che osserviamo invece per
riflessione sulla superficie di un CD si basa su un
altro fenomeno: la DIFFRAZIONE, (pag 11 1 del
libro) collegata all'interferenza delle radiazioni.

La materia

La materia è organizzata in molecole, atomi,
protoni, neutroni, elettroni.
Atomi e molecole non possono scambiare con
l'ambiente una qualsiasi quantità di energia
ma quanti di energia, ossia quantità discrete.
E
E
E
4
E
3
E,
2
E
1

Interazione luce - materia

Quando una radiazione elettromagnetica
colpisce la materia può avvenire una transizione
quantistica dallo stato ad energia minore
dell'atomo o molecola (stato fondamentale) a
livelli di energia più alta (stati eccitati): questo
fenomeno prende il nome di assorbimento.
Secondo la teoria quantistica, gli atomi, le
molecole o gli ioni possiedono soltanto un
numero limitato di livelli energetici discreti.
L'assorbimento avviene solo se l'energia fornita
dalla radiazione elettromagnetica è uguale alla
differenza di energia tra i due stati quantici
coinvolti nel salto. Dopo l'eccitazione si ha il
rilassamento e l'atomo (o molecola) ritorna al
suo stato fondamentale a minore energia: il
fenomeno viene detto emissione.
Assorbimento
dell'energia
Emissione
di luce
+
n=4 m=3 n=2 n =1
E =- k
E =- 0,25k
E =- 0,11k
E- - 0,062k
stato eccitato (E1)
I
AE=hv
stato fondamentale (E))

Che cosa accade quando una radiazione colpisce una molecola?

Y
< 0,1 nm
emissione nucleare
raggi X
0,1-10 nm
transizioni elettroniche
(elettroni interni)
UV
10-380 nm
transizioni elettroniche
(elettroni di valenza)
Vis
380-780 nm
transizioni elettroniche
(elettroni di valenza)
IR
780 nm-100 um
transizioni vibrazionali
Microonde
100 μm - 1 cm
transizioni rotazionali
onde radio
1 cm- metri
Le molecole interagiscono con la radiazione assorbendo energia e
passando da uno stato di energia minore ad uno di energia maggiore
(assorbimento) oppure cedendo energia e passando da uno stato di
energia maggiore ad uno di energia minore (emissione)