Spettroscopia UV-Vis dei coloranti

assorbanza

Quando la luce interagisce con una sostanza, una parte della luce viene assorbita mentre il resto viene riflesso o trasmesso attraverso di essa. Le sostanze che percepiamo come aventi un colore riflettono la luce nell'intervallo visibile. Il colore della sostanza che siamo in grado di vedere dipende dalla lunghezza d'onda della luce riflessa. Una sostanza che percepiamo come blu riflette la luce nella gamma del blu (430 – 480 nm) dello spettro visibile. Secondo la ruota dei colori, la stessa sostanza assorbe la luce che è complementare alla luce riflessa. Quindi, la sostanza blu assorbe la luce nella regione arancione (590 – 630 nm) dello spettro visibile. Non tutti i composti vengono assorbiti nella regione visibile e, di conseguenza, appaiono incolori all'occhio umano.

La luce è definita dalla sua energia, E, e dalla sua lunghezza d'onda, λ. Qui, h è la costante di Planck e c è la velocità della luce.

La lunghezza d'onda della luce è inversamente proporzionale alla sua energia. Quindi, la luce ad alta energia ha una lunghezza d'onda più corta.

coloranti

I coloranti di colore diverso variano nella lunghezza d'onda della luce che assorbono. La maggior parte dei coloranti sono composti coniugati con doppi e singoli legami alternati e tipicamente assorbono la luce nella regione visibile.

La parte coniugata della molecola di colorante può essere molto corta, il che significa che c'è un basso grado di coniugazione e pochi legami doppi e singoli alternati, o lunga, il che significa che c'è un alto grado di coniugazione con molti legami doppi e singoli alternati. Questi doppi legami alternati non devono necessariamente essere solo tra due atomi di carbonio. Questi legami coniugati possono includere i gruppi carbonilici e i doppi legami tra carbonio e ossigeno. Il grado di coniugazione determina la lunghezza d'onda della luce che il composto assorbe. Ad esempio, i composti con un alto grado di coniugazione assorbono una lunghezza d'onda maggiore rispetto ai composti con un grado di coniugazione inferiore.

Sulla base della teoria degli orbitali molecolari, gli elettroni delocalizzati occupano gli orbitali molecolari. L'orbitale molecolare più alto, o HOMO, è l'orbitale di energia più alta con un elettrone. L'orbitale molecolare non occupato più basso, o LUMO, è l'orbitale a più bassa energia senza elettroni. Le molecole con poca o nessuna coniugazione hanno tipicamente un grande divario di energia tra l'HOMO e il LUMO. Tuttavia, le molecole coniugate hanno un divario energetico minore tra l'HOMO e il LUMO.

Per eccitare un elettrone da un livello di energia inferiore a un livello di energia superiore, o dall'HOMO a LUMO, la molecola deve assorbire luce con energia pari al divario energetico tra i due orbitali. Per questo motivo, le molecole con un grande gap di energia richiedono una luce ad alta energia, come la luce UV, per eccitare un elettrone. I coloranti, tuttavia, hanno un gap di energia più piccolo e richiedono una luce a energia inferiore, come la luce visibile, per eccitare un elettrone.

Per questo motivo, le molecole con un grande gap di energia richiedono una luce ad alta energia, come la luce UV, per eccitare un elettrone. I coloranti, tuttavia, hanno un gap di energia più piccolo e richiedono una luce a energia inferiore, come la luce visibile, per eccitare un elettrone.

Ricordiamo che l'energia della luce è inversamente proporzionale alla lunghezza d'onda. Quindi, la luce a energia più elevata ha lunghezze d'onda più corte rispetto alla luce a energia più bassa che ha lunghezze d'onda più lunghe.

spettrofotometro

Sperimentalmente, l'assorbanza della luce viene misurata utilizzando uno spettrofotometro UV-Visibile (UV-Vis). Questo strumento utilizza una sorgente luminosa che viene trasformata da un monocromatore in specifiche lunghezze d'onda della luce che passeranno attraverso un campione e in un rivelatore all'altra estremità. I campioni devono essere in un liquido, quindi è necessario un solvente se il composto organico è un solido. Questa soluzione è contenuta in un portacampioni noto come cuvetta. A seconda del campione, la cuvetta può essere realizzata in cristallo di quarzo, vetro o plastica e ha una particolare lunghezza del percorso. Questa lunghezza del percorso è la distanza che la luce deve percorrere attraverso il campione. Poiché il solvente assorbe anche la luce, è necessario un campione bianco del solo solvente. Pertanto, quando lo strumento cattura lo spettro di assorbanza del composto campione, può sottrarre lo spettro di fondo del solvente per visualizzare l'assorbanza causata solo dal campione. La trasmittanza, T, è la frazione della luce originale che passa attraverso il campione.

Qui, P₀ è l'irraggiamento, o l'energia al secondo per unità di area, del raggio di luce prima di colpire il campione. P è l'irraggiamento del raggio di luce che colpisce il rivelatore. P è tipicamente inferiore a P₀, poiché parte della luce viene assorbita dal campione.

L'assorbanza, A, è definita come il log negativo della trasmittanza.

L'assorbanza ha un intervallo di valori compreso tra 0 (nessun assorbimento) e 2 (99% di assorbimento). Quando non viene assorbita luce, P₀ è uguale a P e la trasmittanza è uguale a uno. Pertanto, l'assorbanza è zero. Se il 90% della luce viene assorbita, viene trasmesso il 10% e T è uguale a 0,1. Ciò si traduce in un'assorbanza pari a 1. Se il 99% della luce viene assorbita, viene trasmesso l'1% (T= 0,01) e l'assorbanza è pari a 2.

Lo spettro ottenuto è un grafico dell'assorbanza rispetto alla lunghezza d'onda. Per uno spettrofotometro UV-Vis, questo intervallo è compreso tra 200 e 800 nm.

Legge di Beer-Lambert

La trasmittanza e l'assorbanza di un particolare composto sono correlate alla concentrazione del composto in soluzione. Questa relazione è descritta dalla legge Beer-Lambert.

L'assorbanza del campione è uguale al prodotto della concentrazione del composto, della lunghezza del percorso e del coefficiente di attenuazione molare. Questo coefficiente è unico per ogni composto e varia in base alla lunghezza d'onda. Tuttavia, se la lunghezza d'onda viene mantenuta costante, il coefficiente di attenuazione molare sarà lo stesso indipendentemente dalle variazioni di concentrazione. La lunghezza d'onda che corrisponde alla massima assorbanza del campione, nota come λ_max, avrà anche il coefficiente di attenuazione molare più grande.

referenze

1. Silberberg, M.S. (2012). Chimica: la natura molecolare della materia e il cambiamento. Boston, MA: McGraw Hill.
2. Harris, D.C. (2015). Analisi chimica quantitativa. New York, NY: W.H. Freeman e compagnia.