In questa esperienza si utilizza lo spettrofotometro UV-Vis per identificare e quantificare le sostanze presenti in quattro soluzioni contenenti diversi coloranti blu, sia organici che inorganici (blu di metilene, blu di bromotimolo, solfato rameico in assenza e in presenza di ammoniaca).
Scheda sintetica delle attività
L’esperimento prevede l’utilizzo dello spettrofotometro UV-Visibile e si divide in due parti. La prima parte è qualitativa e permette di determinare quale soluzione si ha a disposizione, tra quattro soluzioni incognite contenenti diversi coloranti blu (blu di metilene, blu di bromotimolo, solfato rameico in assenza e in presenza di ammoniaca) grazie al confronto degli spettri di assorbimento ottenuti rispetto a quelli di letteratura. La seconda parte dell’esperienza è quantitativa, ovvero si calcola la concentrazione della soluzione incognita, costruendo una retta di taratura con delle soluzioni a concentrazione nota della sostanza in esame (blu di metilene, o blu di bromotimolo, o solfato di rame).
Risorse necessarie
Spettrofotometro UV-Vis “ONDA UV-20”;
cuvette in vetro da 10 mm;
matracci da 50 e 25 mL;
pipette;
becher;
bacchetta di vetro;
solfato di rame ($CuSO_4 \cdot 5H_2O$);
blu di bromotimolo;
blu di metilene:
ammoniaca;
spruzzetta di acqua deionizzata.
Prerequisiti necessari
Saper preparare soluzioni a diverse concentrazioni;
conoscere il concetto di molarità e saperla calcolare;
saper costruire una retta di taratura;
conoscere lo spettro dell’UV-Visibile.
Obiettivi di apprendimento
Imparare a conoscere i vari componenti che costituiscono uno spettrofotometro e imparare a usarlo;
confrontare spettri di assorbimento diversi e saperli associare alle rispettive sostanze;
comprendere ed applicare la legge di Lambert-Beer;
costruire una retta di taratura;
imparare a ricavare la concentrazione incognita dalla retta di taratura.
Dotazioni di sicurezza
Indossare camice, occhiali e guanti
Svolgimento
Introduzione
La spettroscopia UV-Visibile è una tecnica analitica che si basa sull'assorbimento di radiazioni elettromagnetiche monocromatiche nel campo dell'UV (100-400 nm) e del Visibile (400-700 nm) da parte di molecole. Questa tecnica trova applicazione nella determinazione qualitativa e quantitativa di numerose sostanze sia organiche che inorganiche nel campo ambientale, farmaceutico e alimentare. Lo spettrofotometro sfrutta il principio della rifrazione per decomporre la radiazione luminosa nelle sue lunghezze d'onda e misurarne l'intensità con un detector. Figura 1: uno spettrofotometro UV-Vis didattico
I parte
Prima di intraprendere l’esperienza coi ragazzi, si preparano quattro soluzioni contenenti dei coloranti blu (blu di metilene, blu di bromotimolo, solfato di rame con ammoniaca e solfato di rame senza ammoniaca), facendo attenzione ad avere una concentrazione tale da avere una assorbanza fra 0,1 e 1 nel massimo di assorbimento. I ragazzi saranno divisi in 8 gruppi fra cui si distribuiscono le quattro soluzioni in modo tale che ci siano due gruppi per ogni soluzione incognita da determinare.
Figura 2: cassetta portacampioni
Si inserisce, tramite pipetta, la soluzione a disposizione nella cuvetta in vetro e la si pone nel portacuvette all’interno dello spettrofotometro, facendo attenzione a prendere con le dita la parte smerigliata della stessa e ad inserirla
dalla parte corretta, in modo tale che il raggio colpisca la parte trasparente della cuvetta.
Si chiude lo sportello e si imposta la lunghezza d’onda adeguata.
Si esegue prima l’azzeramento del bianco (inserendo nella cuvetta acqua deionizzata) e poi si misura l’assorbanza a varie lunghezze d’onda tra i 500 e i 700 nanometri per le 4 soluzioni a disposizione (figura 3).
Si dividono le assorbanze a tutte le lunghezze d’onda per l’assorbanza massima ottenuta per quella soluzione.
A partire dai rapporti tra le assorbanze, e grazie al confronto con gli spettri di assorbimento delle varie sostanze qui riportati, si prova a identificare la sostanza utilizzata.
Figura 3: spettri di assorbimento delle 4 sostanze incognite
II parte
Si decide in questa sezione di descrivere con esattezza la parte quantitativa utilizzando solo la soluzione di solfato di rame, ma si può far lavorare in modo analogo i gruppi con tutte le quattro soluzioni prese in considerazione variando opportunamente la quantità di composto da pesare, in modo da ottenere assorbanze comprese tra 0,1 e 1.
Ognuno degli otto gruppi prepara una soluzione a diversa concentrazione di solfato di rame, secondo lo schema di tabella 1. Tabella 1
Si calcola la molarità di ciascuna soluzione e si misura l’assorbimento con lo spettrofotometro, impostando una lunghezza d’onda di 750 nm, dove si ha il massimo di assorbimento per il solfato di rame.
Si riportano in un grafico i valori di assorbanza in funzione della concentrazione e si ottiene una retta.
Si misura l’assorbanza della soluzione incognita e dalla retta precedentemente disegnata si determina la sua concentrazione. Si può ottenere il dato sia per estrapolazione dal grafico sia calcolandolo con l'equazione della retta derivata dal foglio di calcolo (figura 4).
Figura 4: determinazione della concentrazione incognita attraverso metodo grafico
Conclusioni
I Parte Grazie al confronto con gli spettri di assorbimento disponibili si è in grado di risalire alla sostanza incognita presente in soluzione.
II Parte In questo esperimento si può osservare che all'aumentare della concentrazione aumenta l'assorbanza segnata dallo strumento. Così si è potuto costruire una retta di taratura e tramite questa ricavare la concentrazione incognita di una soluzione di solfato di rame. Evidenziare ai ragazzi che la linearità è mantenuta solo per soluzioni diluite. Si è utilizzata una lunghezza d’onda di 750 nm e le soluzioni di solfato di rame in acqua a pH= 4.
Approfondimento
Si aggiungono poi alla soluzione di solfato di rame poche gocce di soluzione di ammoniaca e si misura l’assorbimento a ʎ= 750 nm.
Si aggiunge un eccesso di ammoniaca fino a ottenere una soluzione che da opaca diventa blu intensa, ma limpida. Si registra lo spettro di assorbimento a ʎ= 750 nm.
Con l’aggiunta di poche gocce di ammoniaca si osserva una soluzione opaca a causa della formazione di idrossido insolubile che forma un precipitato; con l’aggiunta di ammoniaca in eccesso, invece, si ottiene una soluzione limpida di colore blu intenso e si osserva un cambiamento del coefficiente di estinzione molare (figura 5)
Figura 5: aggiunta di $NH_3$ in poche gocce e in eccesso
Questo avviene perché il CuSO4·5H2O è molto solubile in acqua e si dissocia in: $$CuSO_4 \cdot 5H_2O\ (s) = Cu^{2+}\ (aq) + SO_4^{2-}\ (aq) + 5H_2O\ \ \ \ \ K_s >>1$$ Il $Cu^{2+}$ in acqua non è stabile perché tende a formarsi l'idrossido di rame, specie poco solubile: $$Cu^{2+}\ (aq) + 2OH^-\ (aq) = Cu(OH)_2\ \ \ \ \ \ K_s = 1,26 \cdot 10^{-20}$$
La presenza del processo di precipitazione dipende dal pH della soluzione: a pH bassi (soluzione acida) la concentrazione di ioni idrossido è molto bassa e la precipitazione non ha luogo, mentre a pH alti (soluzione basica) tale concentrazione è molto più elevata (figura 6).
Figura 6: diagramma di solubilità del Cu2+ in funzione del pH
In realtà al pH dell’acqua si formano inizialmente sali basici poco solubili che solo a pH più elevati danno l’idrossido. Se si parte da una soluzione con pH < 5 il $Cu^{2+}$ sarà completamente sciolto in acqua. Se alla soluzione aggiungiamo poche gocce di una base (l’ammoniaca), si osserva la formazione di precipitato e al primo momento la soluzione diventa opaca perché il precipitato rimane in sospensione.
Se alla soluzione si aggiunge ora un eccesso di ammoniaca si può arrivare a pH basico e avere la formazione di complessi di $Cu^{2+}$ con ammonica che sciolgono il precipitato di $Cu(OH)_2$. Per avere ammoniaca in soluzione e non ione ammonio, è necessario arrivare a pH=11.00, per ottenere questo complesso è necessario aggiungere in soluzione una concentrazione di ammoniaca pari almeno a quattro volte la concentrazione di $Cu^{2+}$ inizialmente presente, ovvero $4 \cdot 10^{-2}$ M. Questa concentrazione è simile come ordine di grandezza a quella necessaria per portare la soluzione a pH=11.00.
Note e storia
Assorbanza e legge di Lambert-Beer
L'assorbanza caratterizza la capacità che una sostanza ha di assorbire la luce di lunghezza d'onda $\lambda$. L'assorbanza di una soluzione è direttamente proporzionale alla concentrazione C della specie che assorbe la luce, al coefficiente di estinzione $\epsilon(\lambda)$ di tale specie e allo spessore l (cammino ottico) del campione che la luce attraversa: $$A = C \cdot \epsilon \cdot \ l$$ Il coefficiente di estinzione $\epsilon(\lambda)$ rappresenta l'assorbanza per unità di concentrazione e di spessore della soluzione; essa ha come unità di misura: $mol^{-1}\cdot l \cdot cm^{-1}$.
Sperimentalmente l'assorbanza si misura utilizzando la legge di Lamber-Beer, in base alla quale: $$I_1(\lambda) = I_0(\lambda) \cdot e^{-A}$$ dove $I_1(\lambda)$ e $I_0(\lambda)$ sono rispettivamente l'intensità trasmessa e l'intensità incidente della luce che investe il campione e $\lambda$ la lunghezza d'onda della luce stessa (figura 7).
Figura 7: misura della assorbanza dalla legge di Lamber-Beer
Risulta quindi $$ A = - ln \frac{I_1(\lambda)}{I_0(\lambda)}$$
La misura di uno spettro di assorbimento consiste nel misurare l’assorbanza della soluzione in funzione della lunghezza d’onda della luce incidente; essa risulta essere diversa per ogni sostanza e ne permette il riconoscimento (figura 8)
Figura 8: spettri di assorbimento di alcune sostanze a confronto
D’altro canto se ci si pone ad una lunghezza d’onda fissa e si misura l’assorbanza della soluzione, questa è direttamente proporzionale alla concentrazione. Questa misura può essere utilizzata per fare una determinazione analitica della sostanza presente in soluzione.
Bibliografia
Ferrante Marina, Università di Padova, PLS Chimica, Dispensa, LS Fermi Padova, a.s. 2015-2016;
Mondin Andrea, Università di Padova, Corso di aggiornamento per docenti “Dal doppio legame al DNA Fingerprinting”, Appunti di lezione, LS Fermi Padova, 6 dicembre 2016.
