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Chimica Chimica FisicaFisica –– BiotecnologieBiotecnologie sanitariesanitarieLezioneLezione n. n. 1919

−− PrincipiPrincipi generaligenerali delledelle spettroscopiespettroscopie otticheottiche−− PrincipiPrincipi generaligenerali delledelle spettroscopiespettroscopie magnetichemagnetiche

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IntroduzioneIntroduzione allealle tecnichetecniche spettroscopichespettroscopiche

- I metodi spettroscopici sono tecniche sperimentali basatesull’interazione tra energia e materia impiegate per la determinazione di proprietà fisiche e chimiche di atomi, singolemolecole, aggregati supramolecolari e materiali.

- Spettroscopie ottiche- assorbimento-emissione UV-visibile,- fluorescenza, fosforescenza, - spettroscopia infrarossa; Raman

- Spettroscopie magnetiche- risonanza magnetica nucleare, NMR- risonanza elettronica di spin, ESR)

- Scattering- diffrazione raggi X- scattering neutronico.

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RadiazioneRadiazione elettromagneticaelettromagnetica (1)(1)

- Una radiazione elettromagnetica si forma quando sonopresenti un campo elettrico e magnetico perpendicolari, oscillanti in fase.

- Ogni tipo di radiazione elettromagnetica (compresa la luce visibile) si può rappresentare sia come onda(campo elettromagnetico) con una frequenza associatache come particella (fotone) con un energia correlataalla frequenza.

- Le molecole interagiscono con una radiazioneelettromagnetica assorbendo o cedendo energia, passando cioè da stati ad energia minore a stati ad energia maggiore (assorbimento) o da stati ad energiamaggiore a stati ad energia minore (emissione).

- Dall’energia assorbita od emessa si possono ricavareinformazioni strutturali.

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RadiazioneRadiazione elettromagneticaelettromagnetica (2)(2)

- L’energia di un fotone si ottiene dall’equazione di Planck

dove h si dice costante di Planck (4 x 10-13 kj mol-1); ν èla frequenza della radiazione (s-1).

- La relazione tra frequenza e lunghezza d’onda λ dellaradiazione

dove c è la velocità della luce (3 x 1010 cm s-1)

E hν=

cλν

=

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RadiazioneRadiazione elettromagneticaelettromagnetica

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LivelliLivelli energeticienergetici molecolarimolecolari (1)(1)

- L’energia di una molecola è quantizzata: esistono solo livelli energetici discreti, corrispondenti a diversi statidella molecola

livelli elettronici livelli vibrazionali

livelli rotazionali

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LivelliLivelli energeticienergetici molecolarimolecolari (2)(2)

- L’energia di una molecola è data dalla somma dei- contributi elettronici (livelli energetici corrispondenti a

diversi stati elettronici → diverse disposizioni deglielettroni)

- contributi vibrazionali (livelli energetici corrispondentia diversi stati vibrazionali → variazioni di distanze ed angoli di legame)

- contributi rotazionali (livelli energetici corrispondenti a diverse orientazioni nello spazio → rotazioni)

- contributi traslazionali

elettronici vibrazionali rotazion traslaziona iali lE E E E> > >

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TransizioniTransizioni spettroscopichespettroscopiche

- Una molecola generica assorbe (od emette) fotoni dienergia corrispondente alla differenza tra il livello inizialee quello finale: l’assorbimento (o l’emissione) è registratoda uno strumento come una riga o banda diassorbimento od emissione.

energiaassorbita

frequenza

hυ

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SpettroscopieSpettroscopie otticheottiche / UV/ UV--visibilevisibile, IR, IR

Stato fondamentale

Stato eccitato disingoletto

Stato eccitato ditripletto

Assorbimento UV-visibile

fosforescenza

Emissione UV-visibile(fluorescenza)

Infrarosso

microonde

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SpettroscopieSpettroscopie magnetichemagnetiche / NMR/ NMR

- Lo spin (“rotazione”) di alcuni nuclei atomici su sé stessi è associato ad un momento magnetico µ

- Il più semplice tra gli elementi aventi momento magnetico nucleare, ed il piùimportante a fini pratici, è l'idrogeno.

- La carica in rotazione genera un campo magnetico momento di dipolo magnetico

- Solo nuclei con numero atomico e/o massa atomica dispari mostrano proprietàmagnetiche

- La misura dell’assorbimento di energia daparte di nuclei paramagnetici si dice nuclear magnetic resonance (NMR)

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SpettroscopieSpettroscopie magnetichemagnetiche / ESR/ ESR

- Il fenomeno detto electron spin resonance è la spettroscopia di assorbimento dienergia da parte di elettroni paramagnetici (“spaiati”) presenti in specie chimicheradicaliche o complessi inorganici.

- Lo spin dell’elettrone spaiato genera un momento di dipolo magnetico, in modoanalogo all’NMR

- Gli spin elettronici sono accoppiati con gli spin nucleari degli atomi circostanti, e quindi gli spettri ESR sono molto sensibili all’intorno chimico.

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Scattering / Scattering / raggiraggi X, X, neutronineutroni

- La cristallografia a raggi X è una tecnica della cristallografia in cui l'immagine, prodotta dalla diffrazione dei raggi X attraverso lo spazio del reticolo atomico in un cristallo, viene registrata e quindi analizzata per rivelare la natura del reticolo. In genere, questo porta a determinare il materiale e la struttura molecolare di una sostanza.

- La cristallografia a raggi X è il metodo principale per determinare le conformazioni molecolari delle macromolecole biologiche, particolarmente delle proteine e degli acidi nucleici come il DNA e l'RNA.