Laboratorio di Chimica Analitica SPETTROSCOPIA DI ASSORBIMENTO ATOMICO

Laboratorio di Chimica Analitica SPETTROSCOPIA DI ASSORBIMENTO ATOMICO Prof. S. Andini

INTERAZIONE TRA ENERGIA E MATERIA • atomi e molecole che interagiscono con una radiazione elettromagnetica di opportuna energia (E = hn) passano da uno stato fondamentale di minima energia a uno stato eccitato a maggiore energia (assorbimento) • lo stato eccitato non è stabile e atomi e molecole tendono a ritornare in tempi molto brevi nello stato fondamentale, restituendo all’ambiente l’energia assorbita. • se tale restituzione di energia avviene sotto forma di energia radiante, si parla di emissione

SPETTROSCOPIA DI ASSORBIMENTO ATOMICO tecnica analitica impiegata per la determinazione sia qualitativa che quantitativa di atomi e di ioni metallici • una radiazione elettromagnetica di intensità I 0 attraversa un campione contenente atomi in grado di assorbirla e in uscita dal campione sarà caratterizzata da una intensità I minore di I 0 assorbimento atomico • gli elettroni più esterni dell’atomo, assorbendo energia da una radiazione di opportuna frequenza passano da un orbitale a minore energia a un orbitale a energia maggiore

SPETTRO ELETTROMAGNETICO

SPETTROSCOPIA DI ASSORBIMENTO ATOMICO • l’assorbimento dell’energia associata alla radiazione incidente (DE = hn) avviene in tempi molto brevi (10 -15 s) e provoca il passaggio dell’atomo dallo stato fondamentale allo stato eccitato • gli atomi eccitati ricadono nello stato fondamentale emettendo l’energia assorbita (10 -14 - 10 -7 s) sotto forma di calore (Q), in seguito a urti con gli atomi o con le molecole vicini • questo processo non comporta emissione di energia radiante stato eccitato + hn hn DE stato fondamentale 10 -15 s +Q 10 -14 – 10 -7 s

SPETTROSCOPIA DI ASSORBIMENTO ATOMICO • ciascun atomo ha un caratteristico spettro di assorbimento, che dipende dalla specifica distribuzione energetica dei suoi orbitali • in uno spettro di assorbimento atomico si distinguono diverse serie di righe, a seconda dell’orbitale di partenza e a seconda delle transizioni coinvolte (questo dipende anche dalla temperatura)

SPETTROSCOPIA DI ASSORBIMENTO ATOMICO • atomi liberi che assorbono energia radiante di opportuna frequenza, danno luogo a transizioni elettroniche quantizzate • ogni atomo possiede una sua caratteristica distribuzione elettronica spettro di assorbimento = spettro a righe • spettri di assorbimento atomico diversi per ogni elemento costituiti da una serie di righe di assorbimento la cui intensità è proporzionale alla probabilità della transizione elettronica corrispondente

SPETTROSCOPIA DI ASSORBIMENTO ATOMICO • esempio : spettro di assorbimento di vapori di sodio

SPETTROSCOPIA DI ASSORBIMENTO ATOMICO • la spettroscopia di assorbimento atomico può esser utilizzata sia per l’analisi qualitativa sia per l’analisi quantitativa di elementi metallici • analisi qualitativa : l’intensità della radiazione in uscita dal campione viene confrontata con quella in entrata per tutte le lunghezze d’onda. Il tracciato che si ottiene mostra l’assorbimento del campione al variare della lunghezza d’onda : spettro di assorbimento • analisi quantitativa : si lavora con una radiazione monocromatica, di cui si misura l’intensità in uscita dal campione e si confronta con quella in entrata • il segnale che si ottiene è un picco la cui altezza è direttamente proporzionale alla quantità di analita che lo ha generato

SPETTROSCOPIA DI ASSORBIMENTO ATOMICO • la legge di Lambert-Beer è valida anche per l’assorbimento atomico A = log I 0 = k b c I A è l’assorbanza misurata dallo strumento I e I 0 sono le intensità della radiazione incidente e in uscita, rispettivamente k è il coefficiente di assorbimento atomico spettrale (costante caratteristica per ogni riga di assorbimento e per ogni elemento chimico) b è il cammino ottico percorso dalla radiazione c è la concentrazione dell’analita in esame

SPETTROSCOPIA DI ASSORBIMENTO ATOMICO Spettrofotometro per assorbimento atomico sorgente comparto celle monocromatore rivelatore sistema per l’elaborazione dati

SPETTROSCOPIA DI ASSORBIMENTO ATOMICO • sorgente lampada a catodo cavo • sorgente più usata • la radiazione elettromagnetica è emessa da un catodo cilindrico cavo, costituito dall’elemento da analizzare o da una sua lega • il bulbo della lampada, in vetro con una finestra di quarzo, è riempito di argon o di neon

SPETTROSCOPIA DI ASSORBIMENTO ATOMICO • sorgente lampada a catodo cavo • una opportuna differenza di potenziale applicata agli elettrodi provoca la ionizzazione del gas di riempimento (Ar+) • gli ioni positivi del gas, accelerati dal campo elettrico, urtano il catodo provocando l’espulsione degli atomi superficiali (M 0) • si formano, così, atomi vaporizzati che, eccitati dagli urti con il gas di riempimento, emettono energia radiante (M*)

SPETTROSCOPIA DI ASSORBIMENTO ATOMICO • sistema di atomizzazione a fiamma • tubo cilindrico diviso in due zone : la camera di nebulizzazione e la camera di premiscelazione • il tubo è collegato ad un bruciatore in cui avvengono la combustione e l’atomizzazione • il campione in soluzione viene aspirato nel nebulizzatore da una corrente di gas, trasformato in aerosol e portato nella camera di premiscelazione • qui si mescola con il gas combustibile e con l’ossidante e il tutto passa nel bruciatore e quindi nella fiamma

SPETTROSCOPIA DI ASSORBIMENTO ATOMICO • sistema di atomizzazione a fiamma • miscele di gas più utilizzate COMBUSTIBILE OSSIDANTE (T °C) Propano Aria (1900) Acetilene Aria (2400 -2700) Acetilene Ossido nitroso (2900 -3100) Acetilene Ossigeno (3300 -3400) Idrogeno Aria (2300 -2400) Idrogeno Ossigeno (2800 -3000) Cianogeno Ossigeno (4800)

SPETTROSCOPIA DI ASSORBIMENTO ATOMICO • sistema di atomizzazione a fiamma • limite di rivelabilità : mg/m. L (ppm)

SPETTROSCOPIA DI ASSORBIMENTO ATOMICO • sistema di atomizzazione : fornetto di grafite • tubicino di grafite (altezza = 4 cm, diametro = 0. 5 cm) aperto ai lati e con un foro centrale per l’introduzione del campione (1 -100µl), disposto con l’asse lungo il cammino ottico • l’energia necessaria per atomizzare il campione è fornita da una corrente elettrica che fluisce attraverso il tubicino fori di sfiato foro per l’introduzione del campione cammino ottico tubicino di grafite acqua di raffreddamento

SPETTROSCOPIA DI ASSORBIMENTO ATOMICO • sistema di atomizzazione : fornetto di grafite • la temperatura del fornetto di grafite viene incrementata in tre stadi : 1. essiccamento : evaporazione del solvente, T≅110 -130 °C 2. incenerimento : carbonizzazione del materiale organico; T variabile, sino a 1400°C 3. atomizzazione : T portata rapidamente al valore ottimale compreso tra 1440 e 3000 °C e l’analita si atomizza

SPETTROSCOPIA DI ASSORBIMENTO ATOMICO • sistema di atomizzazione : fornetto di grafite • sensibilità 100 -1000 volte superiore ai metodi per aspirazione (perché tutto il campione resta per alcuni secondi lungo il cammino ottico mentre nella fiamma il campione è molto più diluito e vi permane per frazioni di secondo) • limite di rivelabilità : mg/L (ppb)

SPETTROSCOPIA DI ASSORBIMENTO ATOMICO • fenomeni che si verificano durante l’atomizzazione in una fiamma o in un fornetto di grafite di una soluzione contenente l’analita in forma ionica (M+) e un controione (A-) • nel fornetto di grafite non avviene la fase di nebulizzazione

SPETTROSCOPIA DI ASSORBIMENTO ATOMICO • sistema di atomizzazione a vapori freddi • utilizzato nelle analisi del mercurio • il campione viene fatto reagire con un potente riducente (Sn. Cl 2 o Na. BH 4) • gli atomi di mercurio vengono allontanati dalla soluzione mediante gorgogliamento di aria • la corrente di aria e campione atomizzato viene poi inviata in una cella e l’aria essiccata, prima di essere investita dalla radiazione • con questo sistema è possibile rivelare livelli di mercurio fino a 9 ng/l

SPETTROSCOPIA DI ASSORBIMENTO ATOMICO • monocromatore • sistema che da un fascio di luce seleziona una radiazione monocromatica o una banda ristretta di radiazioni, di frequenza prossima a quella richiesta per l’assorbimento • basato sulla diffrazione del fascio di luce incidente, da parte di un prisma ottico o di un reticolo di diffrazione

SPETTROSCOPIA DI ASSORBIMENTO ATOMICO • rivelatore • trasforma l’energia radiante in un segnale elettrico fototubo • il catodo è rivestito da materiale fotosensibile, che emette elettroni quando viene colpito da radiazioni elettromagnetiche (effetto fotoelettrico) • una pila mantiene una opportuna d. d. p. tra gli elettrodi • gli elettroni emessi dal catodo vengono catturati dall’anodo e nel circuito fluisce una corrente elettrica la cui intensità è direttamente proporzionale all’intensità della radiazione che l’ha prodotta.

SPETTROSCOPIA DI ASSORBIMENTO ATOMICO • rivelatore fotomoltiplicatore • gli elettroni emessi dal catodo vengono accelerati da un campo elettrico acquistando così energia • lungo il percorso nel fotomoltiplicatore colpiscono un’altra superficie elettronicamente attiva (dinodo) e liberano un numero più grande di elettroni • questi elettroni, a loro volta, colpiscono i dinodi successivi e il segnale si amplifica • la produzione a cascata di elettroni che si verifica nel fotomoltiplicatore prende il nome di effetto fotoelettrico secondario • simile al fototubo, ma molto più sensibile

SPETTROSCOPIA DI ASSORBIMENTO ATOMICO • interferenze chimiche • formazione di sali insolubili nella fiamma • incompleta atomizzazione dovuta a inadeguate condizioni della fiamma soluzioni : • scelta della fiamma che meglio si adatta all’analita da analizzare • aggiunta di un metallo che fornisca uno ione competitivo : alla soluzione dell’analita viene addizionato un catione che reagisce preferenzialmente con l’anione interferente rispetto al catione in esame, rendendo così disponibile l'analita • protezione del catione in esame mediante formazione di un complesso organico assai stabile (con EDTA) che impedisce le reazioni parassite tra il catione e gli anioni interferenti la presenza dell’EDTA, al momento dell’atomizzazione nella fiamma, impedisce l’avvicinamento di anioni interferenti

SPETTROSCOPIA DI ASSORBIMENTO ATOMICO • interferenze fisiche • dipendono dalle caratteristiche fisiche della matrice in cui è disperso l’elemento (ad es. la viscosità che impedisce la nebulizzazione) • differenze nella composizione del campione da analizzare rispetto agli standard utilizzati per la curva di lavoro diverso comportamento all'interno del sistema di atomizzazione dovuto alle diverse caratteristiche fisiche del campione e degli standard soluzione : • utilizzare campioni sufficientemente puri o standard sufficientemente simili al campione da analizzare

SPETTROSCOPIA DI ASSORBIMENTO ATOMICO • interferenze spettrali : assorbimento di fondo • sovrapposizione di segnali di assorbimento da parte di sostanze interferenti (matrice complessa) alla lunghezza d’onda desiderata • segnali di assorbimento dovuti a fumi o sostanze organiche • assorbimento di radiazioni da parte di molecole e radicali presenti nella fiamma (assorbimento del fondo) soluzione : • lampada a deuterio che emette uno spettro continuo nell’UV. I raggi provenienti dalla lampada a catodo cavo e dalla lampada a deuterio vengono pulsati, in modo che giungano al rivelatore uno di seguito all’altro • quando si analizza il bianco si verifica solo l’assorbimento di fondo e quindi i due raggi danno un segnale di uguale intensità • quando si analizza il campione si ottengono due segnali di diversa intensità. Calcolando l’assorbanza netta tra il bianco e il campione viene eliso l’assorbimento di fondo

SPETTROSCOPIA DI ASSORBIMENTO ATOMICO

SPETTROSCOPIA DI ASSORBIMENTO ATOMICO • il segnale che si ottiene è un picco la cui area è direttamente proporzionale all’analita presente allo stato atomico • l’altezza del picco dipende dalla concentrazione massima di atomi

SPETTROSCOPIA DI ASSORBIMENTO ATOMICO • esempi di applicazioni • analisi di metalli pesanti in campioni di suolo superficiale (Cd, Co, Fe, Pb, Mn, Cr, Hg, Zn, As, Se, Sb, Bi, Mo, Ni, Cu) • analisi di metalli in campioni di acque naturali • analisi di metalli in alimenti • analisi di metalli in fluidi biologici