(parte 1) Orbitali atomici Cromoforo Spettrofotometro · 2016-01-22 · cromoforo I cromofori più...
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Spettroscopia UV-visibile (parte 1)
Orbitali atomici Orbitali molecolari Transizioni elettroniche Regole di selezione Cromoforo Spettrofotometro Legge Lambert-Beer
Spettroscopia UV-visibile
La Spettroscopia Uv-visibile studia gli spettri di assorbimento di
molecole nella regione compresa tra circa 200 e 700 nm.
Spettroscopia UV-visibile
La Spettroscopia Uv-visibile studia gli spettri di assorbimento di
molecole nella regione compresa tra circa 200 e 700 nm.
Livello elettronico fondamentale
Primo livello elettronico eccitato
e-
Spettroscopia UV-visibile
La Spettroscopia Uv-visibile studia gli spettri di assorbimento di
molecole nella regione compresa tra circa 200 e 700 nm.
Essendo coinvolti elettroni di legame, l’energia della radiazione assorbita
può essere correlata con i tipi di legame presenti nella specie in esame.
Livello elettronico fondamentale
Primo livello elettronico eccitato
Eccitazione
assorbimento
e-
Le radiazioni della regione del visibile e
dell'ultravioletto possiedono energia
sufficiente a promuovere un salto degli
elettroni nello stato fondamentale verso
orbitali ad energia più alta in uno stato
eccitato.
Che cosa succede dopo l’assorbimento di una radiazione UV-vis?
Spettroscopia UV-visibile
Livello elettronico fondamentale
Primo livello elettronico eccitato
e-
Che cosa succede dopo l’assorbimento di una radiazione UV-vis?
Lo stato eccitato ritorna allo stato
elettronico fondamentale sia:
•per produzione di calore
•per emissione di una radiazione
con energia uguale o minore a quella
della radiazione assorbita*.
* Quest’ultimo processo è noto con il nome di fluorescenza.
Spettroscopia UV-visibile
Livello elettronico fondamentale
Primo livello elettronico eccitato
e-
Rilassamento
emissione
Regione dell’ultravioletto: copre una zona che comprende lunghezze d’onda che vanno da 200 a 400 nm fino a confinare con il violetto.
Regione del visibile: la radiazione della luce visibile con compresa tra circa 400 e 700 nm, rappresenta una porzione molto piccola dello spettro elettromagnetico. All’interno di tale regione dello spettro ci sono tutti i colori che si vedono quando una luce bianca attraversa un prisma e che in ordine decrescente di lunghezza d’onda sono: rosso, arancione, giallo, verde, celeste, indaco, violetto.
Spettroscopia UV-visibile
Schema energetico di formazione di OM partendo
dagli OA dei due atomi A e B quando A e B sono
omonucleari (stessi atomi).
Il fatto che A e B siano due atomi uguali è
dimostrato dallo stesso livello energetico per i 2s e i
2p dei due atomi.
Orbitali molecolari Spettroscopia UV-visibile
Schema energetico di formazione di OM partendo
dagli OA dei due atomi A e B quando A e B sono
omonucleari (stessi atomi).
Il fatto che A e B siano due atomi uguali è
dimostrato dallo stesso livello energetico per i 2s e i
2p dei due atomi.
Orbitali molecolari Spettroscopia UV-visibile
Schema energetico di formazione di OM partendo
dagli OA dei due atomi A e B quando A e B sono
omonucleari (stessi atomi).
Il fatto che A e B siano due atomi uguali è
dimostrato dallo stesso livello energetico per i 2s e i
2p dei due atomi.
Molecola O2
Orbitali molecolari Spettroscopia UV-visibile
In realtà, usare una radiazione con una frequenza utile
a colmare il D non basta:
occorre che vengano verificate condizioni specifiche
Regole di selezione
La I° regola di selezione afferma che
in una transizione elettronica si deve avere una forte ridistribuzione della carica elettrica e quindi una concreta variazione del momento dipolare.
Passare da un orbitale molecolare all’altro vuol dire influenzare la distribuzione di cariche.
Questa distribuzione è dovuta al fatto gli orbitali hanno geometrie diverse di densità elettronica
(tra e * notiamo che la distribuzione delle cariche è diversa, lo stesso vale tra e *).
Qual’è la transizione elettronica che non provoca
una distribuzione delle cariche?????
Per la verità non se ne riesce ad immaginare
nemmeno una . Quindi la regola ci suggerisce che
maggiore sarà la differenza di ridistribuzione,
più probabile sarà la transizione.
Spettroscopia UV-visibile
Regole di selezione
La II° regola di selezione ha a che vedere con lo “spin” elettronico:
lo spin totale in una transizione si deve conservare
Spettroscopia UV-visibile
Regole di selezione
La II° regola di selezione ha a che vedere con lo “spin” elettronico:
lo spin totale in una transizione si deve conservare
Il numero di spin totale, chiamato
S non è altro che:
la sommatoria di tutti gli spin
associati agli elettroni del nostro
sistema:
S = si
S= 0 ( tutti gli orbitali con coppie
di elettroni)
S= 1/2 oppure –1/2 (un solo
elettrone spaiato);
S= 1 (due orbitali con due
elettroni spaiati)
Spettroscopia UV-visibile
Regole di selezione
La III° regola di selezione è detta regola della simmetria orbitalica.
Essa afferma che una transizione è permessa solamente se la simmetria della distribuzione elettronica della ² si conserva durante la transizione.
Questa regola, in parole povere, ci dice che:
Una transizione è tanto più probabile che avvenga
quanto più la simmetria tra gli orbitali è conservata.
OA OM caratteristiche di simmetria rispetto all'asse di legame
s simmetria assiale; coassiale con l'asse di legame
p piano nodale contenente l'asse di legame
d d due piani nodali perpendicolari intersecantesi lungo l'asse di legame
Spettroscopia UV-visibile
Queste transizioni sono caratteristiche sia di composti organici sia
di composti inorganici.
Il gruppo di atomi in cui approssimativamente sono localizzati gli
orbitali molecolari tra cui avviene la transizione viene chiamato
cromoforo
I cromofori più comuni sono caratterizzati da legami chimici
multipli e sono detti perciò insaturi: tra essi il gruppo etilenico
C=C, acetilenico C=C, carbonilico C=O.
Cromoforo
Spettroscopia UV-visibile
Le transizioni osservabili per un gruppo carbonilico C=O sono
illustrate schematicamente nel seguente grafico.
Spettroscopia UV-visibile
L’utilizzo dello spettro UV-Visibile per l’analisi qualitativa non
può raggiungere i livelli di approfondimento consentiti da altre
tecniche spettroscopiche quali IR a causa dello spettro stesso,
che non appare quasi mai (specialmente per le soluzioni)
sufficientemente dettagliato.
Tuttavia può essere benissimo impiegato per una prima
caratterizzazione della molecola, accontentandosi di ottenere da
una simile tecnica solo la possibilità di operare magari una
sommaria scelta fra varie alternative.
Assorbimento dei composti organici
Spettroscopia UV-visibile
Transizioni σ → σ*
Queste transizioni sono quelle che
richiedono le energie più elevate.
Molecole come gli alcani saturi, che
contengono solo legami C–C e C–H,
danno solo questi assorbimenti, che
cadono nella zona dell’UV lontano,
detta anche UV sotto vuoto. Infatti in
questa zona assorbe anche l’ossigeno
dell’aria, per cui un’eventuale indagine
andrebbe condotta eliminando tale
interferenza, vale a dire operando sotto
vuoto.
Principali transizioni elettroniche
Spettroscopia UV-visibile
Transizioni π → π*
E’ tipica dei composti insaturi.
Ne possiamo individuare tre tipi principali:
transizione etilenica → banda tipica di
sistemi π isolati
transizione benzenoide → banda tipica del
sistema benzenico;
Transizione di coniugazione → è
caratteristica di sistemi aromatici o comunque
di doppi o tripli legami coniugati. Maggiore è
la delocalizzazione, più alta è la lunghezza
d’onda di assorbimento, ed aumenta anche la
relativa intensità.
Principali transizioni elettroniche
Spettroscopia UV-visibile
Transizioni n → σ* e n → π*
Queste bande sono del tipo R, cioè
radicalico, perché interessano eteroatomi
che dispongono di doppietti di non-
legame e si trovano inseriti in un sistema
π o in un sistema σ.
È il caso di C=O, C=N, N=N, oppure il
C –O, C–S, C–N (alcoli, mercaptani,
ammine…)
Principali transizioni elettroniche
Spettroscopia UV-visibile
Transizioni per trasferimento di carica
Sono di solito le più intense dello spettro, perché sono dovute a veri e propri
spostamenti di elettroni da una parte all'altra della molecola.
Transizioni d → d o f → f
Nei composti di coordinazione, l'interazione del metallo centrale con i leganti ad
esso coordinati provoca una separazione tra i cinque orbitali d (o i sette orbitali
f, nel caso dei lantanidi), che in assenza dei leganti hanno tutti la stessa energia.
Gli assorbimenti che corrispondono alle transizioni fra orbitali d (o f) cadono
nella regione del visibile, perché i dislivelli sono relativamente piccoli, perciò i
composti di coordinazione dei metalli di transizione e dei lantanidi appaiono
spesso colorati.
Gli spettri dei composti di coordinazione, dunque, mostrano le bande di
assorbimento dei leganti insieme all'assorbimento caratteristico dei metalli
di transizione (che hanno orbitali d) o dei lantanidi (che hanno orbitali f) e
l'assorbimento per trasferimento di carica.
Principali transizioni elettroniche
Spettroscopia UV-visibile
In generale la complessità molecolare non influisce sulla complessità spettrale,
pertanto è possibile individuare particolari raggruppamenti in molecole complesse,
confrontando gli spettri con quelli di molecole più semplici.
Spettro UV-visibile
Spettroscopia UV-visibile
L’esame degli assorbimenti caratteristici dei vari gruppi funzionali ha dimostrato che non
sono numerosi i casi nei quali lo spettro elettronico risulta effettivamente utile, come nel
caso di dieni e trieni coniugati, aromatici, carbonili coniugati…
Possiamo quindi stilare una serie di linee guida:
♥ Assorbimenti molto forti nell’intervallo 200–300 nm (ε: 10.000–20.000)
indicano sistemi di almeno due cromofori coniugati, uguali o diversi. Se la banda è
ancora più spostata verso il visibile, la coniugazione è certamente elevata.
♥ Assorbimenti piuttosto forti nella zona 270–370 nm (ε: 5.000–16.000);
indicano sistemi aromatici con sostituenti polari, che danno luogo anche a bande di
trasferimento di carica. Le bande si spostano vero il visibile quanto maggiore è la
coniugazione, oppure quando sono presenti più sostituenti con elettroni mobili.
♥ Assorbimenti deboli o di media forza nell’intervallo 210 – 300 nm (ε: 200 –
8.000): indicano sistemi aromatici con sostituenti alchilici, ma anche transizioni n
→ σ* di atomi che possiedono doppietti di non legame
Criteri di riconoscimento delle
sostanze organiche
Spettroscopia UV-visibile
♥ Assorbimenti molto deboli nella zona 200 – 300 nm (ε: 10 – 100): indicano
transizioni n → π* e caratterizzano i gruppi N=O, C=O, N=N, C=S…
♥ Assorbimenti analoghi ai precedenti ma nell’intervallo 400 – 1.500 nm (ε: 20 –
1.000) sono dovute a transizioni interne di tipo d → d o f → f dei metalli di transizione o
dei lantanidi
♥ Assorbimenti molto forti (ε: 30.000 – 50.000) verso il visibile indicano bande di
trasferimento di carica intermolecolari o intramolecolari.
Criteri di riconoscimento delle
sostanze organiche
Spettroscopia UV-visibile
In definitiva si può dire che
lo spettro UV diventa decisivo quando il dato che
fornisce è in negativo.
Ad esempio:
L’assenza di assorbimento sopra i 180 nm esclude la presenza di sistemi aromatici o comunque coniugati
L’assenza di assorbimento tra 230 – 280 nm esclude la
presenza di anelli benzenici
Criteri di riconoscimento delle
sostanze organiche
Spettroscopia UV-visibile
Spettrofotometro UV-visibile
Spettrometro
Fotometro
Produce luce di lunghezze
d’onda selezionate
(generalmente contiene un
monocromatore)
Misura l’intensità della
radiazione
Spettroscopia UV-visibile
Spettrofotometro a singolo raggio
IL MONOCROMATORE è
un PRISMA o un
RETICOLO DI
DIFFRAZIONE
Converte
l’Intensità della
radiazione in
Intensità di
corrente
1) Si mette nella cuvetta il solvente e si misura l’Intensità della radiazione trasmessa.
2) Si lava la cuvetta.
3) Si mette la soluzione e si misura l’intensità.
4) Si fa il rapporto fra le due Intensità
è sensibile a:
•temperatura,
• luce
•alla stessa misurazione del bianco che deve
essere ripetuta per ogni misurazione
Spettroscopia UV-visibile
Il bianco (o riferimento) è costituito dal solvente ad eccezione
della sostanza di cui si vuol esaminare l’assorbimento
La radiazione proveniente dal
MONOCROMATORE si
divide in due raggi che sono
inviati contemporaneamente al
campione ed al solvente.
Il secondo raggio passa attraverso
il campione e fuoriesce con
l’Intensità trasmessa Icampione
Il computer registra
entrambi i raggi in
modo alterno e
calcola il rapporto.
Più complesso e costoso, ma consente una grande precisione e
praticità anche nelle analisi quantitative, poiché registra il bianco una
sola volta e poi continua in automatico
Spettrofotometro a doppio raggio
Spettroscopia UV-visibile
T=I/I0 Trasmittanza
c= concentrazione dell’analita (M)
b= cammino ottico (cm)
I0= intensità del raggio incidente
I= intensità del raggio in uscita
I0
I
b
Spettroscopia UV-visibile
Legge Lambert-Beer
T=I/I0 Trasmittanza
c= concentrazione dell’analita (M)
b= cammino ottico (cm)
I0= intensità del raggio incidente
I= intensità del raggio in uscita
I0
I
b
Beer, Lambert e altri hanno dimostrato che T
diminuisce in modo esponenziale in rapporto alla
concentrazione c del composto colorato e alla
lunghezza del percorso della luce, b, nel modo
seguente:
T= 10-εcl
Spettroscopia UV-visibile
Legge Lambert-Beer
T=I/I0 Trasmittanza
c= concentrazione dell’analita (M)
b= cammino ottico (cm)
I0= intensità del raggio incidente
I= intensità del raggio in uscita
I0
I
b
A()=ecb
legge di Lambert-Beer
Spettroscopia UV-visibile
Legge Lambert-Beer
Beer, Lambert e altri hanno dimostrato che T
diminuisce in modo esponenziale in rapporto alla
concentrazione c del composto colorato e alla
lunghezza del percorso della luce, b, nel modo
seguente:
T= 10-εcl
T=I/I0 Trasmittanza
c= concentrazione dell’analita (M)
b= cammino ottico (cm)
I0= intensità del raggio incidente
I= intensità del raggio in uscita
I0
I
b
A()=ecb
legge di Lambert-Beer
Spettroscopia UV-visibile
Legge Lambert-Beer
A=-logT=log(I0/I)
Assorbanza Beer, Lambert e altri hanno dimostrato che T
diminuisce in modo esponenziale in rapporto alla
concentrazione c del composto colorato e alla
lunghezza del percorso della luce, b, nel modo
seguente:
T= 10-εcl
I0
I
b
A()=ecb
L’assorbanza quantifica l’assorbimento di fotoni di
lunghezza d’onda da parte di analiti presenti nel campione
Spettroscopia UV-visibile
Legge Lambert-Beer
ATTENZIONE: Per misure fatte con cuvette con
differente cammino ottico, l’intensità trasmessa I diminuisce
esponenzialmente con l’aumentare del cammino ottico
I0
I
b
I
b
I0
Spettroscopia UV-visibile
Legge Lambert-Beer
A()=ecb
ATTENZIONE: In alternativa, nel caso di cuvette
con cammino ottico costante, l’intensità trasmessa decresce
esponenzialmente con l’aumentare della concentrazione del soluto
ASSORBENTE
I0
I
b
I
c
I0
Spettroscopia UV-visibile
Legge Lambert-Beer
A()=ecb
La grandezza e dipende da .
Al fine di determinare la concentrazione di una specie
attraverso la legge di Lambert-Beer, occorre che e sia
costante.
Ciò si realizza utilizzando radiazioni monocormatiche
Spettroscopia UV-visibile
Legge Lambert-Beer
A()=ecb
Nella spettroscopia UV-VIS il campione viene irraggiato con radiazioni UV
e/o visibile .
Le molecole che compongono il campione assorbono l’energia irradiata (se
sono rispettate determinate condizioni).
La risposta del campione viene registrata e, in base ai segnali raccolti, è
possibile risalire alla composizione del campione in termini di molecole.
Il tipo di interazione fornisce la risposta analitica:
• qualitativa identificazione attraverso le assorbite
• quantitativa legge di Lambert-Beer (A = ebC)
Riassumendo…………… Spettroscopia UV-visibile
La legge di Lambert-Beer
descrive bene il comportamento
in assorbimento di soluzioni
diluite, cioè con concentrazione
generalmente fino a 0,01 M.
Al di là di tale limite si osservano
delle deviazioni dalla
proporzionalità diretta tra
assorbanza e concentrazione.
Spettroscopia UV-visibile
A()=ecb