Transcript Spettroscopia - ITIS "E. Mattei"

METODI OTTICI D’ANALISI
• ANALISI SPETTRALE IN ASSORBIMENTO
• SPETTROFOTOMETRIA UV- VIS
• FOTOMETRIA DI FIAMMA IN ASSORBIMENTO
ANALISI SPETTRALE IN ASSORBIMENTO
• ASSORBIMENTO DI ENERGIA RAGGIANTE
INTERAZIONE TRA MOLECOLE ED ENERGIA
RAGGIANTE
SEPARAZIONE
SPETTROSCOPIA
RIVELAZIONE
SPETTRI
REGISTRAZIONE
RADIAZIONE
ELETTROMAGNETICA
INTERAZIONE
STATI QUANTICI DELLA
MATERIA
PER UN ATOMO
ENERGIA INTERNA
Ea = E0 + Ee + Et
PER UNA MOLECOLA
ENERGIA INTERNA
Em = E0 + Ee + Et + Er + Ev
V=2
STATO ELETTRONICO
ECCITATO
V=1
J=4
V=0
V=2
STATO ELETTRONICO
FONDAMENTALE
J=3
J=2
J=1
J=0
V=1
J=4
V=0
J=3
J=2
J=1
J=0
TRANSIZIONI ELETTRONICHE – VIBRAZIONALI - ROTAZIONALI
v
2
J
3
2
E2
1
1
3
2
0
1
J
v
3
2
2
1
3
2
E1
1
1
3
2
1
0
UV – VIS
IR
MO
λ
SPETTROFOTOMETRIA UV - VIS
• DEFINIZIONI E LEGGI DELL’ASSORBIMENTO
• COMPONENTI STRUMENTALI
• TECNICHE DI ANALISI
LEGGE DI LAMBERT E BEER
ASSORBIMENTO
M
M*
EMISSIONE
M*
M
M*
M
+
calore
+
VARIAZIONE DI INTENSITA’
I°
dI
dI’
cammino ottico
I°
I
dN
dN
dN
dN
dN
-dI = K I dN
A = ε b c
LEGGE DI LAMBERT E BEER
ASSORBANZA
TRASMITTANZA
A = - log T = - log I/I°
T = I/I°
T = 10 - ε
bc
A
A
A3
λmax
c
A3
3
A2
c
A2
2
A1
c
A1
1
λmax
A = log I°/I
nm
c1
c2
A=kc
c3
mol/l
DEVIAZIONI LEGGE DI LAMBERT E BEER
A
A
A
c
c
POSITIVA
c
NEGATIVA
Sorgente di luce instabile
Risposta non lineare rivelatore-amplificatore
Radiazione policromatica
FATTORI STRUMENTALI
Ampiezza della fenditura
Luce diffusa
Concentrazioni troppo elevate
Formazione di polimeri, aggregati, complessi
Variazione del pH e dissociazione
Effetto solvente, effetto temperatura
Foto effetti (scattering, fluorescenza)
FATTORI CHIMICI
SORGENTI AD ENERGIA RAGGIANTE
VIS
A TUNGSTENO
I = K Vn
UV
A DEUTERIO
SISTEMI DISPERSIVI
COLORIMETRI
SPETTROFOTOMETRI
FILTRI
MONOCROMATORI
COLORE
INTERFERENZIALI
PRISMI
RETICOLI
AMPIEZZA DI BANDA
E
E max
E max/2
570 580 590 λ nm
ANALISI QUALITATIVA
A
A
280
220 nm
SOLUZIONE ACQUOSA
280
220 nm
FASE VAPORE
SCELTA DELLA LUNGHEZZA D’ONDA
A
dA
λ1
A
λ2
dA
dA
dA
dλ dλ1
dλ2
dc1
S = dA/dc
dc2
ERRORE FOTOMETRICO
T = 10-εbc
E
T%
R
R
dT
O
R
E
dT
dc
dc
c
20
60
T%
ADDITIVITA’ DELLE ASSORBANZE
A
A = ε1bc1 + ε2bc2
A’
A1
A2 ’
A’ = ε1’bc1 + ε2’bc2
A = A1 + A 2
A’ = A1’ + A2’
A2
A1 ’
λ
λ’
RETTA DI TARATURA
BIANCO
ST 1
ST 2
CAMPIONE
ST 4
ST 3
A
Ax = ε b Cx
Ax
Cx
concentrazione
CURVE DI TITOLAZIONE
SOSTANZA + TITOLANTE  PRODOTTO
A
0
εS= εP = 0
εT > 0
εS= εT = 0
εS>εT >0
εP = 0
εT>εP >0
εP > 0
εP= εT = 0
εS > 0
0
εS = 0
εP>εT>0
mL titolante
εS = 0
DETERMINAZIONE Ka
A
A
590
500
λ
2
3
pH
HA  H+ + A[H+]= Ka [HA]/[A-] quando [HA] = [A-]
pH= pKa
4
5
6
7
pH
STUDIO DI COMPLESSI
metodo rapporto molare
xM + yL  MxLy
moli M
moli L
2
0
2
2
2
4
2
6
2
8
Assorbanza alla λMAX del complesso MxLy
A
1
2
0
Curva 1 – ML2 assorbe solo il complesso alla λMAX
Curva 2 – ML2 assorbe il complesso ed il legante alla λMAX
2
4
6
8
moliL/moliM
STUDIO DI COMPLESSI
metodo variazione continua
xM + yL  MxLy
moli M
Assorbanza alla λMAX del complesso MxLy
A
moli L
0
10
2
8
4
6
6
4
8
2
10
0
0
χM = 0,6
χL = 0,4
RAPPORTO 3 A 2
M3L2
0,2
0,4
0,6
0,8
1
χM
METODO AGGIUNTE CON DILUIZIONE
ESEMPIO: 20 mL(V(L)) di campione in quattro palloncini da 100
Aggiungere
eventuali reattivi e portare a volume fino a 100 mL
mL
Misurare l’assorbanza alla λMAX
1 ml
2 mL
3 mL
4 mL soluzione
STANDARD 100 ppm = CST
A
Calcoli:
ppm = (Vx CST)/V(L) CAMPIONE PRELEVATO
0
Vx
1
2
3
4
mL aggiunta
METODO AGGIUNTE SENZA DILUIZIONE
ESEMPIO: Versare 100 mL di campione in quattro palloncini da 100 mL = Vx
Aggiungere:
Misurare l’assorbanza alla λMAX
VST1 = 1 ml
V ST2 = 2 mL
VST3 = 3 mL
VST4 = 4 mL
soluzione
STANDARD 100 ppm = CST
Ad
VTOT = Vx + VST1
VTOT = Vx+VST2
 CxVx
C V
A  K 
 ST ST
 Vx  VST Vx  VST
VTOT= Vx+VST3
VTOT=Vx+VST4



 V  VST 

C V 
  K Cx  ST ST 
A x
Vx
 Vx




VST 
 Equazione di una retta:
Ad  KC x  K  CST
Vx 

y  b  a x
CSTVST/Vx
Cx = CONCENTRAZIONE CAMPIONE
Cx
FOTOMETRIA DI FIAMMA
• LA FIAMMA
• ASSORBIMENTO ATOMICO
• MICROFORNO DI GRAFITE
LA FIAMMA
CONO ESTERNO
A
l
ZONA INTERCONICA
t
CONO INTERNO
e
z
z
a
cm
TIPI DI FIAMMA
ARIA - ACETILENE
2300°C
ARIA - IDROGENO
2045 °C
PROTOSSIDO DI AZOTO ACETILENE
2800 °C
ARIA/ARGO - IDROGENO
300/800 °C
ARIA - PROPANO
1930 °C
SCHEMA A BLOCCHI SPETTROFOTOMETRO AD A.A.
R
B
Aspirazione
BRUCIATORE
PRISMA
RIVELATORE
PROCESSO DI ATOMIZZAZIONE
NEBULIZZAZIONE
Soluzione
DESOLVATAZIONE
MA (SOLIDO)
FUSIONE
MA (LIQUIDO)
VAPORIZZAZIONE
MA (GAS)
ATOMIZZAZIONE
M°A° (GAS)
ECCITAZIONE
M* (GAS)
M+
IONIZZAZIONE
(GAS)
LAMPADA A CATODO CAVO
Anodo
Ar+
Ar+
+
Ar
Catodo cavo
CONFRONTO SORGENTE A RIGHE E CONTINUA
Riga di assorbimento
I
I
Sorgente
Segnale risultante
a righe
λ
I
λ
Sorgente
I
Segnale risultante
continua
λ
λ
ALLARGAMENTO RIGHE SPETTRALI
1.
EFFETTO LORENTZ  le collisioni tra atomi fanno variare, anche se di poco, i
livelli energetici
2.
ALLARGAMENTO NATURALE  dualismo onda-corpuscolo ΔE x ∆t = h/2π
3.
PRESSIONE  aumento probabilità collisioni
4.
EFFETTO DOPPLER  variazione della frequenza della radiazione registrata se la
sorgente è in movimento
’
ν =frequenza percepita


v

v  v S 
ν =frequenza emessa dalla sorgente
 ' 
v = velocità della radiazione
vS = velocità sorgente
I
TUTTI QUESTI EFFETTI PORTANO AD UNA
DISTRIBUZIONE DI TIPO GAUSSIANO DELLE
RIGHE DI ASSORBIMENTO E DI EMISSIONE
ν
INTERFERENZE FISICHE
Dipendono dalle caratteristiche della matrice in cui si trova l’elemento da
analizzare.
Se la soluzione è più o meno viscosa degli standard, il comportamento nella
fase di nebulizzazione sarà diverso. Di conseguenza non sarà possibile
stabilire una correlazione tra il numero di atomi che raggiungono la fiamma
provenendo dal campione o dagli standard.
Il problema si risolve preparando le soluzioni standard con una matrice il più
possibile simile al campione, oppure impiegando il metodo dell’aggiunta.
INTERFERENZE CHIMICHE
Si verificano quando nel campione sono presenti specie chimiche che
possono dare composti molto stabili con l’elemento da analizzare.
Ad esempio, la presenza di fosfati nella determinazione dal calcio abbassa
notevolmente l’assorbanza a causa della formazione del pirofosfato.
Il problema si risolve trattando il campione con un reagente che dia un
composto più stabile con i fosfati che il calcio stesso.
Oppure si può aggiungere dell’EDTA che complessa il calcio impedendone
la combinazione con il fosfato. Il complesso calcio-EDTA viene rapidamente
decomposto nella fiamma.
INTERFERENZE DA IONIZZAZIONE
Una fiamma calda può causare fenomeni da ionizzazione degli atomi di
elementi alcalini e alcalini terrosi.
Poiché gli ioni assorbono a λ diverse degli atomi (in quanto i livelli energetici
si sono modificati), l’assorbimento risultante sarà complessivamente ridotto.
Per ovviare a questa interferenza si usa aggiungere al campione ed agli standard
un diverso metallo alcalino in concentrazione massiccia (1000 ÷ 2000 ppm).
Ad esempio, nell’analisi dello stronzio è opportuno aggiungere una certa
quantità di potassio.
Si noti l’effetto dell’aggiunta sulla sensibilità dell’analisi.
con K 25000 μg/mL
A
con K 1000 μg/mL
2
4
6
μg/mL Sr
In tal modo sarà quest’ultimo ad ionizzarsi, creando nel contempo, a causa
del grande eccesso di elettroni sulla fiamma, un’atmosfera riducente che
inibirà la ionizzazione dell’elemento che interessa.
Nella determinazione del bario in presenza di calcio (matrice) si
possono verificare errori sensibili.
Infatti il radicale CaOH assorbe a 554 nm molto vicina alla riga di
risonanza del Ba (553,6 nm).
A
Assorbimento del radicale CaOH
Si può minimizzare questa interferenza molecolare lavorando con
fiamme più calde che migliorano l’efficienza dell’atomizzazione.
Però non sempre si può ricorrere a questo rimedio perché viene
contemporaneamente accentuato il fenomeno della ionizzazione.
INTERFERENZE SPETTRALI DA EMISSIONE
Si distinguono in:
1) Radiazioni emesse non corrispondenti alla riga di risonanza.
Vengono eliminate dal monocromatore.
2) Radiazioni emesse corrispondenti alla riga di risonanza.
Vengono eliminate dall’inserimento di un chopper.
3) Fluttuazioni nell’emissione della lampada o variazioni di risposta del
rivelatore.
Vengono eliminate col sistema a doppio raggio.
INTERFERENZE DA SCATTERING
Si verificano quando sulla fiamma si trovano particelle solide o gocce di
soluzione non ben vaporizzate. Poiché:
I diffusa = k ν4
ciò significa che l’effetto è più evidente a λ minori.
Di fatto questo problema può sorgere al di sotto dei 250 nm.
Qualche miglioramento si può ottenere variando il rapporto combustibile
/comburente, per ottenere una migliore distruzione dalla matrice.
Non è conveniente aumentare la temperatura della fiamma, perché
molti metalli sono volatili.
CORREZIONE ASSORBIMENTO DI FONDO
Le interferenze derivanti da specie molecolari indissociate e da
problemi di diffusione hanno in comune il fatto che l’assorbimento che
ne deriva è a banda larga e perciò può essere considerato continuo
(background).
La correzione viene effettuata con l’accoppiamento di una lampada a
deuterio (spettro continuo) e con un equalizzatore.
IC
EQUA
ID
FORNETTO A GRAFITE
Atomizzazione
Introduzione campione
T °C
3000
Incenerimento
1000
Essiccamento
grafite
100
30
60 secondi