Spettroscopia UV- Vis alcuni cenni…

1. Spettroscopia UV- Visalcuni cenni…

2. La spettroscopia • Studio delle proprietà della materia effettuato analizzando la sua interazione con una radiazione elettromagnetica. Affinchè si possa studiare questo fenomeno, si ha bisogno di: • una sorgente di illuminazione • Un oggetto che interagisce con la luce che viene da questa sorgente • Un occhio umano (rivelatore per osservare l’effetto di questa interazione

3. Cos’è una sorgente di luce? sorgenti primarie, che emettono luce bruciando o consumando qualcosa (lampade fiamme), e sorgenti secondarie, che ridistribuiscono nello spazio la luce che ricevono dalle sorgenti primarie. Cos’è la materia? qualsiasi oggetto sotto i nostri occhi (e non solo) che abbia una certa dimensione Cos’è la radiazione? O cos’è la luce?

4. La radiazione elettromagnetica La luce è un fenomeno ondulatorio di una particolare forma di energia,l’ENERGIA ELETTROMAGNETICA. • Una radiazione elettromagnetica può considerarsi costituita da onde elettromagnetiche, onde di energia che si ripetono periodicamente, con valore costante, nella direzione di propagazione. Contrariamente alle analoghe onde oceaniche che hanno un moto molto lento, le onde elettromagnetiche viaggiano alla velocità della luce: 300.000.000 metri al secondo, 1.080.000.000 chilometri l'ora!

5. In fisica, un campo magnetico è un campo, in un certo spazio, che esercita una forza magnetica su cariche elettriche in movimento e su dipoli magnetici. Campi magnetici circondano correnti elettriche, dipoli magnetici, e campi elettrici variabili. In fisica, lo spazio che circonda una carica elettrica, od in presenza di un campo magnetico si chiama CAMPO ELETTRICO. Esso esercita una forza su altri oggetti carichi. Forza di attrazione di carica elettrica per unità di carica. Radiazione elettromagnetica: • È costituita da campi elettrici e magnetici oscillanti nello spazio e nel tempo che si propaga lunga una direzione. • Il campo elettrico e magnetico sono perpendicolari tra loro ed alla direzione di propagazione dell’onda.

6. Alcune grandezze che caratterizzano una radiazione elettromagnetica • Si dice lunghezza d’onda () la distanza spaziale tra due massimi dell’onda. • La frequenza () è il numero di onde in un secondo. •  e sono correlate dalla seguente relazione: • =c/ • c è la velocità della luce ~3×108 m/s. • L’ampiezza (A) rappresenta la distanza tra il massimo dell’onda e la direzione di propagazione

7. Esiste una relazione tra la frequenza di una radiazione elettromagnetica e la sua energia: h = costante di Planck = 6.626 · 10-34 J · s: è un numero piccolissimo!!!! ?Questo cosa comporta???? • Maggiore è la lunghezza d’onda () di una radiazione elettromagnetiche e minore è la sua energia. Quindi l’energia e la lunghezza d’onda sono inversamente proporzionali!!!! • Maggiore è la frequenza () di una radiazione elettromagnetica e maggiore è la sua energia. Quindi l’energia e la frequenza sono direttamente proporzionali!

8. Tutte le onde elettromagnetiche sono classificate in base alle loro frequenze caratteristiche all'interno di quello che è noto come: SPETTRO ELETTROMAGNETICO Raggi X UV VIS IR RADIO AC Raggi  RADAR-TV FM/SW/AM/LW La luce visibile occupa solo una piccola porzione della zona centrale dello spettro. L’occhio umano è sensibile alle sole radiazioni elettromagnetiche dello spettro comprese tra 380 e 780 nm

9. Interazione radiazione-materia od anche interazione luce materia

10. luce rifratta luce difratta luce assorbita Interazione radiazione-materia… vediamo cosa succede…. Oggetto (es. bicchiere d’acqua con pigmento) luce riflessa luce incidente luce trasmessa

11. I I0 campione Assorbimento Una sostanza può assorbire una certa quantità di maggiore o minore le diverse radiazioni elettromagnetiche alle varie lunghezze d’onda. • Domande: • Quanta luce assorbe? • quali onde assorbe? • cosa succede alle radiazioni assorbite? • Perché un oggetto assorbe la luce? • Cosa c’entra tutto questo con il colore?

12. Stato fondamentale  Stato eccitato  Stato a minima energia di un particolare sistema fisico Stato ad energia più alta dello stato fondamentale Assorbimento: cosa succede? • Una radiazione può cedere energia alla materia solo se DE = hn!!!!

13. LA LUCE E LA MATERIA DE DE DE Energia ceduta Una radiazione può cedere energia alla materia (atomo o molecola solo se DE = hn!!!! = l’energia è quantizzata!! Per un atomo: Radiazione, E = hn Un atomo di idrogeno di Bohr (questo modello è stato superato, ma è ancora utile didatticamente)

14. E1 E1 hn E0 E0 molecola* molecola = elettrone generico Le molecole sono costituite da più atomi e da più elettroni, e quindi rappresentano dei sistemi più complicati: anche le molecole possono assorbire radiazione elettromagnetica, e possono passare a stati eccitati (fare dei salti energetici). hn Molecola Molecola* Anche per le molecole, affinchè avvenga una transizione energetica, occorre utilizzare radiazione con una precisa frequenza (n)

15. hn= DE Radiazione assorbita!!! hn> DE Radiazione NON assorbita hn< DE Radiazione NON assorbita Energia Stato eccitato Una radiazione può essere assorbita dalla materia solo se la sua energia è pari alla differenza di energia tra lo stato fondamentale e quello eccitato della molecola Stato fondamentale

16. Ma.. Vi ricordate? E=h=h(c/) Le molecole assorbono quindi solo onde di una particolare lunghezza d’onda, quindi solo ALCUNI COLORI!!!!!!

17. IL COLORE DEGLI OGGETTIriassunto Le differenti lunghezze d'onda vengono interpretate dal cervello come colori, che vanno dal rosso delle lunghezze d'onda più ampie (minore frequenza), al violetto delle lunghezze d'onda più brevi (maggiore frequenza). Le frequenze comprese tra questi due estremi vengono percepite come arancio, giallo, verde, blu e indaco. Le frequenze immediatamente al di fuori di questo spettro percettibile dall'occhio umano vengono chiamate ultravioletto (UV), per le alte frequenze, e infrarosso (IR) per le basse. Anche se gli esseri umani non possono vedere l'infrarosso, esso viene percepito dai recettori della pelle come calore. Alcuni animali, come le api, riescono a vedere gli ultravioletti; altri invece riescono a vedere gli infrarossi. In effetti un oggetto ci appare del colore associato alla mescolanza delle radiazioni che esso non assorbe, e quindi riflette. Vedremo in seguito…

20. Interazione radiazione-materia

21. DE3 DE2 DE1 Spettroscopia UV-Visibile • Quando un campione viene irradiato da una sorgente luminosa di opportuna lunghezza d’onda, gli elettroni dello stato fondamentale acquistano l’energia necessaria per popolare uno stato eccitato • Riguarda le transizioni elettroniche variazioni della distribuzione elettronica all’interno della molecola • Come conseguenza, a quelle stesse lunghezze d’onda, solamente una frazione della luce mandata sul campione viene trasmessa al rivelatore

22. DE1 DE2 DE3 1 2 3 I/I0 I/I0 4 3 DE2 DE5 2 DE4 n n =DE/h

23. Siam fatte così • Studi spettroscopici forniscono informazioni sui livellienergetici di una molecola, e quindi sulla sua struttura chimica Poiché ogni sostanza ha un particolare spettro di assorbimento, l'esame di tali spettri permette di identificare una sostanza (per confronto diretto con campioni noti o tramite banche dati di spettri) o di controllarne il grado di purezza.

24. Spettro di assorbimento della clorofilla a A Lunghezza d’onda (nm) Un grafico che riporti l’assorbanza di una specie, in funzione della lunghezza d’onda della radiazione incidente, viene detto SPETTRO DI ASSORBIMENTO. Nel caso di un atomo, lo spettro di assorbimento è costituito da righe, mentre per una molecola (sistema più complesso), è costituito da bande Il perché di righe e bande lo vedremo poi…. Esempio: Clorofilla a

25. Metodi di analisi: • METODO NON DISTRUTTIVO: non necessita di alcun prelievo di materiale dell’oggetto da analizzare • METODO DISTRUTTIVO: necessita di un prelievo di materiale dell’oggetto da analizzare. Può essere di bulk (il campione viene omogeneizzato e trattato) o stratigrafico (il campione viene analizzato nei suoi singoli strati che lo compongono).

26. Sorgente Monocromatore Campione Rivelatore I/I0 DE1 DE2 DE3 1 (=DE1/h) 2 (=DE2/h) 3 (=DE3/h) n Un esperimento di spettroscopia (assorbimento) I0 I

27. Sorgente Monocromatore Campione Rivelatore Come si fa???? Cos’è uno spettro??? Io non c’entro.. sigh • Uno spettro è un grafico in cui si riporta l’intensità della radiazione assorbita dal campione in funzione della lunghezza d’onda o frequenza della radiazione stessa I0 I Si fa uso di raggi policromatici separati tramite monocromatori nelle varie componenti (radiazioni monocromatiche). Le singole radiazioni monocromatiche si fanno passare, una alla volta, attraverso la sostanza in esame, la quale assorbirà in modo diverso le diverse radiazioni. Riportando i valori registrati in un grafico lunghezza d'onda-assorbimento, si ottiene lo spettro di assorbimento della sostanza esaminata.

28. Specchio rotante P Computer Monocromatore Rivelatore Sorgente Campione Po Riferimento specchio specchio Componenti di uno Spettrofotometro Sorgente:fornisce una radiazione continua sulle lunghezze d’onda di interesse Monocromatore: seleziona una stretta banda di lunghezze d’onda dallo spettro della sorgente Rivelatore: converte la radiazione elettromagnetica trasmessa in energia elettrica

29. Come si registra uno spettro? • Si manda prima una linea di base  serve a togliere le disomogeneità fra le due cuvette e a fornire il valore di “zero” dell’assorbanza • Nella cella di riferimento si lascia il solvente, nell’altra si mette la soluzione • Si regolano i parametri in modo da avere una misura riproducibile

30. I I0 campione Quanta luce assorbe la mia molecola??

31. C I0 I Soluzione di concentrazione c Legge di Lambert e Beer []  [M-1 cm-1] [l] = [cm] [C]= [M]

32. Portacampione……. Le cuvette possono essere in plastica, vetro e quarzo. Attenzione: nell’UV assorbono il vetro e la plastica (utilizzare celle di quarzo!)

34. L’assorbimento di radiazione elettromagnetica da parte di una soluzione può essere sfruttato grazie alla legge di Lambert-Beer, definita per una data lunghezza d’onda: A = ebc c concentrazione coefficiente di estinzione molare cammino ottico L’assorbanza di una soluzione è direttamente proporzionale alla concentrazione della specie assorbente Se si conosce la costante e, caratteristica della specie assorbente in esame, posso conoscere c, misurando A(per una opportuna l)

35. Cromoforo: gruppi funzionali organici insaturi che assorbono nell’UV-VIS Auxocromo: gruppo che estende la coniugazione di un cromoforo condividendo elettroni liberi Vediamo un po’ di spettri…… ma prima di tutto: • Regole empiriche = ( chi assorbe cosa…) • -Se lo spettro di un composto esibisce una banda di assorbimento ad intensità bassa nella regione 270-350 nm, e nessun altro assorbimento sopra i 200 nm, il composto contiene un solo cromoforo non coniugato con elettroni n (transizione n→π∗) es: C=O nell’acetone • -Se lo spettro presentamolte bande, anche nel visibile, il composto contiene probabilmente catene coniugate o gruppi aromatici.es: benzene • -Se il composto è colorato possono esistere almeno 4,5 cromofori coniugati e gruppiauxocromi (con l’eccezione di alcuni nitro-, azo-, diazo-, and nitroso-composti che sono colorati).

36. E per quanto riguarda il coefficiente di estinzione molare? • Un valore di ε tra10000 and 20000 generalmente rappresenta un semplice chetone α,β-insaturo o un diene. • -Bande con ε tra1000 and 10000 normalmente mostrano la presenza di un gruppo aromatico. Se il gruppo aromatico ha dei gruppi funzionali possono comparire bande con ε> 10000 ed altre con ε< 10000. • -Bande con ε< 100 rappresentano transizioni n→π∗.

37. Vediamo alcuni esempi….. ,[M-1,cm-1] 13000 21000 1000, 16 41 60 5 22 12 7900, 200 max, nm 177 217 186, 280 204 214 339 280 300, 665 204, 256 Esempio C6H13CH=CH CH2=CHCH=CH2 (CH3)2C=O CH3COOH CH3CONH2 CH3NNCH3 CH3NO2 C2H5ONO2 Benzene (C6H6) Cromoforo Alchene Alchene coniugato Carbonile Carbossile Ammide Azo Nitro Nitrato Aromatico NOTA BENE: le posizioni dei massimi di assorbimento dipendono anche dal solvente!

38. Colori della luce visibile Lunghezza d’onda Assorbita Osservata 380-420 violetto verde-gialla 420-440 blu-violagiallo 440-470 bluarancione 470-500 blu-verderosso 500-520 verdeviola 520-550 verde-giallovioletto 550-580 gialloblu 580-620 arancioneverde-blu 620-680 rossoblu-verde 680-780 violaverde

39. Tre colori fondamentali: rosso blu e giallo Un po’ di teoria dei colori… R+G+B= Bianco R+G= Verde R+B= Magenta E’ possibile ottenere tutte le differenti tonalità miscelando i tre colori fondamentali (blu, rosso e verde). La sintesi additiva dei tre colori fondamentali determina una sensazione cromatica di saturazione chiamata bianco. L’assenza degli stessi tre colori produce la sensazione definita nero.

40. ESEMPIO Esempio di spettro UV-visibile di un’aldeide insatura. La banda a 395 nm rende conto del fatto che il composto è colorato in arancio, colore complementare rispetto al violetto che corrisponde alla regione spettrale interessata (~ 400 nm)

41. Perché si parla di bande e non di righe? Perché gli spettri di assorbimento sono “larghi”? Perché si parla di bande e non di righe? Perché gli spettri di assorbimento sono “larghi”? Le transizioni elettroniche promosse dalla radiazione UV-vis-NIR coinvolgono anche i vari livelli vibrazionali. Per questo motivo lo spettro è del tipo “a bande”. Questa caratteristica complica notevolmente il riconoscimento e la quantificazione di composti in miscela

42. Effetto del solvente sullo spettro

43. Altro problema: effetto del pH in soluzioni acquose. E’ possibile notare subito l’influenza di questa variabile chimica sulle sostanze: le soluzioni corrispondenti allo stesso colorante presenti a due concentrazioni idrogenioniche diverse, infatti,possono apparire di colore differente. Ciò è dovuto all’influenza dello ione H+ sulla stabilità delle molecole, che si ripercuote sui livelli energetici e quindi sugli spettri di assorbimento delle sostanze. Spesso, quindi, coloranti pH sensibili si sciolgono e si conservano in SOLUZIONI TAMPONE Soluzioni tampone: soluzioni acquose di opportune specie chimiche (acidi o basi deboli) che per diluizione e per aggiunta o sottrazione di ioni H3O+ mantengono il loro pH invariato

44. Rosso: Alizarina E’ di origine naturale E’ usato fin dall’antichità E’la componente stabile del carminio di robbia La Trinità (1426-28) Masaccio, Santa Maria Novella, Firenze

45. Dammar prima Courtrai prima Dammar dopo Courtrai dopo ESEMPI “REALI”: Studio dell’efficienza del protettivo dammar e del courtrai Vernice Dammar: fortemente ingiallita Blocca passaggio delle radiazioni negli strati pittorici sottostanti che non risultano fotossidati. Siccativo di Courtrai: no ingiallito Radiazioni riescono a penetrare nel bulk compromettendo strati pittorici sottostanti che risultano degradati.

46. Metodi di analisi: • METODO NON DISTRUTTIVO: non necessita di alcun prelievo di materiale dell’oggetto da analizzare • METODO DISTRUTTIVO: necessita di un prelievo di materiale dell’oggetto da analizzare. Può essere di bulk (il campione viene omogeneizzato e trattato) o stratigrafico (il campione viene analizzato nei suoi singoli strati che lo compongono).

48. I0 Ir Cenni di riflettanza Escludendo un limitato numero di eccezioni, gli oggetti di indagine nel campo beni culturali sono opachi Spettroscopia di riflettanza Registra lo spettro della radiazione diffusa dalla superficie del campione, inclusa o esclusa la componente riflessa

49. I0 Ir La riflessione diffusa è alla base della spettroscopia di riflettanza Spettroscopia di riflettanza Il campione assorbe alcune componenti della radiazione incidente, per cui l’assorbimento riduce l’intensità di luce diffusa Riv Dalla misura della riflettanza riesco a ottenere informazioni sulla natura chimica del campione (analogo all’assorbimento!!!!)

50. Icampione % R = = luce riflessa dal campione/ luce riflessa dallo standard Istandard I dati sono espressi usualmente in % R (riflettanza percentuale) dove R è la riflettanza dello standard, S è l’intensità di emissione del campione e D è il rumore di fondo dello strumento Per non farci spaventare, possiamo vederla così: Vi ricorda qualcosa? Come potete vedere le due equazioni sono molto simili 