Spettroscopia
Uno spettro collega un’interazione fisica a un segnale misurato. Prima di assegnare un picco, identifica gli assi e il meccanismo che genera il segnale.
Origine fisica del segnale
Per un fotone, E = hν = hc/λ. Se la materia passa tra due stati separati da un’energia ΔE, la frequenza del fotone risonante soddisfa ΔE = hν. Una maggiore separazione energetica corrisponde quindi a una frequenza più alta e a una lunghezza d’onda più corta.
Questo non significa che ogni possibile differenza di energia produca una riga intensa. Le regole di selezione quantistiche e il dettaglio dell’accoppiamento tra radiazione e materia determinano se una transizione è permessa e quanto sarà intensa.
Nella spettroscopia di assorbimento, la radiazione incidente perde specifiche energie fotoniche perché il campione viene promosso a stati di energia più elevata. Nella spettroscopia di emissione, un campione eccitato rilascia fotoni passando a stati di energia inferiore. La stessa differenza energetica può quindi comparire come caratteristica di assorbimento in un esperimento e di emissione in un altro.
Nella spettroscopia di diffusione, il fotone rivelato ha interagito con il campione e ha cambiato direzione. La maggior parte della diffusione è elastica, ma nella spettroscopia Raman una piccola frazione dei fotoni scambia energia con le vibrazioni molecolari. Lo spostamento di frequenza della luce diffusa rivela così informazioni vibrazionali senza misurare il normale assorbimento IR.
Un atomo isolato possiede livelli energetici elettronici. Una transizione tra due di essi produce un’energia fotonica ben definita, perciò gli spettri atomici contengono spesso righe relativamente strette. L’idrogeno è l’esempio classico: le righe visibili di Balmer corrispondono a transizioni che terminano a n = 2, mentre le serie di Lyman e Paschen ricadono principalmente nell’ultravioletto e nell’infrarosso.
Le molecole hanno più modi di immagazzinare energia. Gli stati elettronici contengono sottolivelli vibrazionali, che a loro volta presentano struttura rotazionale. Molte transizioni molto ravvicinate possono quindi sovrapporsi formando bande. Nelle fasi condensate, collisioni e interazioni con molecole vicine le allargano ulteriormente. Uno spettro molecolare non è «più confuso perché lo strumento è peggiore»; gran parte di quella complessità appartiene alla molecola stessa.
Leggere uno spettro
L’asse orizzontale non è universale. A seconda della tecnica può rappresentare la lunghezza d’onda λ, la frequenza ν, l’energia del fotone E, il numero d’onda ṽ in cm⁻¹ oppure lo spostamento chimico δ NMR in ppm. L’asse verticale può indicare intensità, assorbanza, trasmittanza, conteggi di emissione o un’altra risposta del rivelatore.
È importante perché il verso grafico può invertirsi. Nella spettroscopia IR, gli spettri sono spesso rappresentati con numeri d’onda elevati a sinistra. Uno spettro di trasmittanza mostra gli assorbimenti come segnali rivolti verso il basso; uno spettro di assorbanza mostra gli stessi assorbimenti verso l’alto. Prima di attribuire un significato chimico a un picco, identifica assi, unità e convenzione grafica.
| Tecnica | Interazione | Informazione tipica |
|---|---|---|
| UV-visibile | Transizioni elettroniche | Assorbimento, colore, concentrazione |
| IR | Vibrazioni | Legami e gruppi funzionali |
| Raman | Diffusione anelastica | Vibrazioni complementari all’IR |
| NMR | Spin nucleari | Ambienti locali e connettività |
Tecniche comuni
UV-visibile
La radiazione UV-visibile promuove comunemente elettroni di valenza tra orbitali molecolari o stati elettronici. I sistemi π coniugati e i complessi dei metalli di transizione sono esempi frequenti perché le loro separazioni energetiche ricadono nell’UV o nel visibile. L’assorbimento di determinate lunghezze d’onda visibili spiega anche il colore: una soluzione appare colorata perché alcune regioni della luce visibile vengono assorbite più intensamente di altre.
La spettroscopia UV-Vis è particolarmente utile quando lo scopo non è soltanto identificare una specie assorbente, ma misurarne la concentrazione. La relazione centrale è la legge di Beer-Lambert:
A = εbc
Qui A è l’assorbanza (adimensionale), ε è l’assorbività molare, spesso espressa in L mol⁻¹ cm⁻¹, b è il cammino ottico in cm e c la concentrazione in mol L⁻¹. A una lunghezza d’onda scelta, l’assorbanza è proporzionale alla concentrazione quando la forma chimica è stabile e le condizioni sperimentali restano nel regime lineare.
Infrarosso
La radiazione infrarossa può indurre transizioni tra stati vibrazionali molecolari. Le frequenze di stiramento e deformazione dipendono dalla rigidità del legame, dalle masse atomiche e dall’ambiente molecolare. Una forte banda di stiramento C=O, per esempio, compare a un numero d’onda molto diverso dalla regione di stiramento O–H.
Una vibrazione assorbe IR solo se produce una variazione del momento dipolare della molecola. Questa regola di selezione spiega l’importanza della simmetria e perché gli spettri IR e Raman spesso si completano a vicenda. La densa regione dell’impronta digitale può essere molto caratteristica di una molecola anche quando le singole bande sono difficili da assegnare una per una.
Raman
La spettroscopia Raman misura la piccola componente anelastica della luce diffusa. Una vibrazione molecolare è attiva Raman quando modifica la polarizzabilità della molecola. L’attività IR dipende invece da una variazione del momento dipolare. Poiché le due condizioni differiscono, una vibrazione debole o assente nell’IR può essere intensa nel Raman, soprattutto nelle molecole simmetriche.
Questa complementarità è più utile che dichiarare una tecnica «migliore». L’esperimento va scelto in base all’interazione fisica capace di rivelare la caratteristica d’interesse.
NMR
La risonanza magnetica nucleare non studia principalmente le vibrazioni molecolari o il colore elettronico. Alcuni nuclei possiedono spin e, in un campo magnetico, possono occupare differenti stati energetici magnetici. La radiazione a radiofrequenza induce transizioni tra questi stati.
La distribuzione elettronica locale scherma leggermente un nucleo dal campo applicato. Per questo idrogeni o carboni chimicamente diversi risuonano a differenti spostamenti chimici, di solito espressi in ppm. Numero di segnali, spostamento chimico, area integrata e accoppiamento spin-spin forniscono informazioni strutturali differenti. La NMR è quindi molto potente per ricostruire come gli atomi sono collegati, non soltanto per chiedersi quale gruppo funzionale sia presente.
Calcoli
Beer-Lambert
Un analita ha ε = 1,50 × 10⁴ L mol⁻¹ cm⁻¹ al massimo di assorbimento. Una cuvetta da 1,00 cm dà A = 0,720. Quindi:
c = A/(εb) = 0,720 / [(1,50 × 10⁴)(1,00)] = 4,80 × 10⁻⁵ mol L⁻¹.
Il calcolo è semplice; il giudizio sperimentale no. Un bianco diverso da zero, luce parassita, diffusione, un equilibrio chimico che cambia con la concentrazione oppure valori di assorbanza fuori dall’intervallo lineare utile possono rendere inaffidabile l’apparente relazione lineare. Una buona spettrofotometria usa quindi i bianchi e, di norma, una serie di calibrazione invece di affidarsi ciecamente a un’unica equazione.
Energia del fotone
Una riga a 486,1 nm corrisponde approssimativamente a un’energia fotonica di:
E ≈ 1240 eV·nm / 486,1 nm = 2,55 eV.
Se quella riga è prodotta da una transizione atomica, 2,55 eV è la differenza di energia tra i due stati coinvolti. La lunghezza d’onda non è un’etichetta arbitraria di colore: è una misura di energia.
Spettri reali e strumentazione
Gli atomi di ogni elemento possiedono uno schema caratteristico di differenze energetiche consentite. Sodio, idrogeno, elio o ferro eccitati emettono e assorbono quindi insiemi diversi di lunghezze d’onda. La spettroscopia atomica di laboratorio usa queste firme per l’analisi elementare; l’astronomia utilizza la stessa fisica per dedurre la composizione delle atmosfere stellari senza raccogliere un campione fisico.
La posizione di una riga identifica una differenza di energia. La sua intensità dipende da fattori aggiuntivi, come la popolazione degli stati, la probabilità di transizione, la quantità di specie presente e la risposta strumentale. L’intensità non è quindi una misura diretta di «quanta energia contiene quel livello».
Nessuna riga spettrale reale è infinitamente stretta. Una durata finita dello stato eccitato produce allargamento naturale. Il moto termico causa allargamento Doppler perché emettitori o assorbitori in movimento vedono frequenze leggermente spostate. Le collisioni causano allargamento di pressione. Lo strumento stesso aggiunge una larghezza di risposta finita.
Risoluzione descrive la capacità di distinguere caratteristiche spettrali vicine. Aumentare la risoluzione può separare picchi prima sovrapposti, ma non crea informazioni che il campione fisico non conteneva. Le impostazioni dello strumento comportano inoltre compromessi tra risoluzione, intensità del segnale, tempo di acquisizione e rumore.
Strumenti diversi possono avere aspetti diversi, ma la maggior parte esegue la stessa sequenza logica: genera o riceve radiazione, ne seleziona o codifica il contenuto spettrale, la fa interagire con il campione, rileva la risposta e trasforma tale risposta in uno spettro. Uno strumento UV-Vis dispersivo può usare un reticolo o un monocromatore per selezionare le lunghezze d’onda in sequenza. La spettroscopia IR a trasformata di Fourier registra invece un interferogramma che contiene molte frequenze contemporaneamente e lo trasforma matematicamente in uno spettro.
La traccia visualizzata è quindi già il risultato di ottica, elettronica e trattamento dei dati. Sottrazione del fondo, sensibilità del rivelatore, calibrazione e correzione della linea di base fanno parte della misura: non sono ritocchi cosmetici aggiunti dopo la scienza «vera».
Interpretazione analitica
La spettrometria di massa viene comunemente studiata accanto a IR, UV-Vis e NMR perché tutte sono centrali nell’identificazione chimica. In senso stretto, però, la spettrometria di massa non rileva assorbimento o emissione elettromagnetica in funzione dell’energia del fotone. Ionizza le specie e separa o analizza gli ioni in base al loro rapporto massa/carica m/z.
La distinzione è importante perché le informazioni sono complementari. La spettrometria di massa può vincolare massa e formula molecolare o rivelare frammentazione; l’IR può identificare tipi di legame; la NMR può mostrare ambienti atomici locali e connettività; l’UV-Vis può sondare struttura elettronica e concentrazione. La moderna determinazione strutturale diventa molto più solida quando questi indizi indipendenti concordano.
- Identifica la tecnica. IR, UV-Vis, NMR ed emissione atomica non usano gli stessi assi né le stesse regole interpretative.
- Leggi assi e unità. Non assegnare mai un picco prima di farlo.
- Distingui posizione, intensità e larghezza. Rispondono a domande diverse.
- Cerca schemi, non picchi isolati. Serie, forme delle bande, sdoppiamenti e intensità relative sono spesso più informativi di una singola caratteristica.
- Controlla la plausibilità fisica. La transizione o il gruppo funzionale proposti sono coerenti con il resto della chimica del campione?
- Combina le tecniche. Tratta gli spettri indipendenti come vincoli sulla stessa struttura, non come giochi di identificazione separati.
L’assegnazione di un picco è un’ipotesi sostenuta da modelli fisici e confronti, non un’etichetta magica applicata dallo strumento. Bande sovrapposte, miscele, segnali del solvente, fluorescenza, diffusione, saturazione, effetti di matrice e calibrazione imperfetta possono indurre in errore. Il confronto con banche dati è potente, ma una corrispondenza numerica priva di contesto chimico può comunque essere sbagliata.
La conclusione più solida è in genere quella sostenuta da più osservazioni indipendenti: posizioni corrette dei picchi, intensità sensate, forme di riga appropriate e accordo con un altro metodo analitico.
Esercizi
Beer-Lambert
Due soluzioni della stessa specie vengono misurate nelle stesse condizioni. La concentrazione della seconda raddoppia e il regime lineare resta valido. Che cosa accade all’assorbanza?
Soluzione
Raddoppia perché A = εbc e sia ε sia b restano invariati.
Scegliere una tecnica
Devi distinguere diversi ambienti protonici in una molecola organica. Qual è la tecnica più diretta?
Soluzione
NMR, perché lo spostamento chimico dipende dall’ambiente elettronico locale dei nuclei osservati.