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Chimica analitica e di laboratorio
Tecniche di laboratorio e controllo qualita’: cromatografia, spettroscopia, titolazioni.
In sintesi
- È una tecnica che rileva gli elettroni spaiati di una sostanza misurando l’assorbimento di microonde quando la differenza di energia fra i due stati di spin dell’elettrone,…
- L’NMR osserva lo spin dei nuclei in molecole ordinarie (diamagnetiche), l’EPR osserva lo spin degli elettroni spaiati.
- È un numero adimensionale che compare nella condizione di risonanza hν = gμBB₀ e vale 2,0023 per l’elettrone libero.
- È la suddivisione del segnale EPR in più righe causata dall’interazione dell’elettrone spaiato con i nuclei vicini dotati di spin.
La risonanza magnetica nucleare ascolta gli spin dei nuclei; la risonanza paramagnetica elettronica (EPR, o ESR) ascolta gli spin degli elettroni spaiati. È la tecnica d’elezione per studiare radicali liberi, ioni di metalli di transizione e qualsiasi specie con elettroni non appaiati — invisibile a quasi tutte le altre spettroscopie. Dove c’è un elettrone spaiato, l’EPR lo vede.
Il principio: lo spin dell’elettrone in un campo
Un elettrone possiede uno spin e quindi un momento magnetico. In assenza di campo magnetico i due stati di spin (ms = +½ e −½) hanno la stessa energia. Applicando un campo magnetico B0 i due stati si separano (effetto Zeeman): tanto più intenso è il campo, tanto maggiore è la differenza di energia fra loro.
La condizione di risonanza
L’assorbimento avviene quando l’energia di un fotone a microonde eguaglia esattamente la separazione fra i due livelli di spin. È la condizione di risonanza:
hν = g μB B0
dove hν è l’energia della radiazione, μB è il magnetone di Bohr e g è il fattore g. In pratica si fissa la frequenza (tipicamente attorno a 9-10 GHz, la cosiddetta banda X) e si spazza il campo magnetico fino a trovare la risonanza, attorno a 0,3 tesla.
La struttura iperfine: la vera miniera di informazioni
Se l’elettrone spaiato «sente» il magnetismo dei nuclei vicini dotati di spin, il segnale EPR si suddivide in più righe: è la struttura iperfine, l’analogo dell’accoppiamento che in NMR genera i multipletti. Il numero e l’intensità delle righe rivelano con quali e quanti nuclei l’elettrone è in contatto, e quindi dove si trova: per n nuclei equivalenti di spin I il segnale si divide in 2nI + 1 righe.
numero di righe = 2 n I + 1
La spaziatura fra le righe è la costante di accoppiamento iperfine a (spesso espressa in millitesla): misura quanto densità dell’elettrone spaiato si trova su quel nucleo. È lo stesso tipo di logica che governa le costanti di accoppiamento J in NMR, applicata però agli elettroni.
Cosa si può studiare con l’EPR
L’EPR «vede» solo ciò che ha elettroni spaiati, ed è proprio questa selettività a renderla potente: nessun fondo dalle (numerose) specie a guscio chiuso. Le applicazioni tipiche:
| Sistema | Cosa rivela l’EPR |
|---|---|
| Radicali liberi organici | presenza, struttura, posizione dell’elettrone spaiato |
| Ioni di metalli di transizione | stato di ossidazione e intorno di coordinazione |
| Spin trapping | cattura di radicali instabili (stress ossidativo) |
| Dosimetria delle radiazioni | dose assorbita da materiali irraggiati |
| Controllo alimentare | identificazione di alimenti trattati con radiazioni ionizzanti |
In ricerca sui materiali e in catalisi l’EPR segue i centri paramagnetici attivi; in biochimica, tramite le sonde di spin, studia la dinamica delle membrane e delle proteine.
Dall’identificazione spettroscopica alla conformità. Le tecniche che identificano una molecola e ne confermano la struttura sono la base di ogni dossier tecnico di una sostanza che produci, importi o vendi. Vedi il nostro servizio di schede dati di sicurezza (SDS) e richiedi una verifica del tuo caso.
EPR e NMR: due cugine, una differenza chiave
EPR e NMR condividono lo stesso principio — spin in un campo, transizione in risonanza — ma il momento magnetico dell’elettrone è quasi mille volte maggiore di quello dei nuclei: per questo l’EPR lavora a frequenze molto più alte (microonde, non radiofrequenze) ed è estremamente sensibile. La differenza di campo d’applicazione è netta: l’NMR studia molecole diamagnetiche ordinarie, l’EPR studia ciò che ha elettroni spaiati. Il legame fra il numero di questi elettroni e le proprietà magnetiche è trattato nell’articolo sulla suscettività magnetica.
In sintesi operativa
Domande frequenti
Che cos’è la spettroscopia EPR?
È una tecnica che rileva gli elettroni spaiati di una sostanza misurando l’assorbimento di microonde quando la differenza di energia fra i due stati di spin dell’elettrone, separati da un campo magnetico, eguaglia l’energia del fotone. È l’analogo dell’NMR ma applicato agli elettroni invece che ai nuclei, e si usa per radicali e ioni di metalli di transizione.
Che differenza c’è fra EPR e NMR?
L’NMR osserva lo spin dei nuclei in molecole ordinarie (diamagnetiche), l’EPR osserva lo spin degli elettroni spaiati. Poiché il momento magnetico dell’elettrone è quasi mille volte maggiore, l’EPR lavora a frequenze di microonde, è molto più sensibile e «vede» solo le specie paramagnetiche.
Che cos’è il fattore g?
È un numero adimensionale che compare nella condizione di risonanza hν = gμBB₀ e vale 2,0023 per l’elettrone libero. Nelle molecole reali si discosta da questo valore in funzione dell’ambiente chimico dell’elettrone spaiato, e quindi serve a identificare e caratterizzare la specie paramagnetica.
Che cos’è la struttura iperfine?
È la suddivisione del segnale EPR in più righe causata dall’interazione dell’elettrone spaiato con i nuclei vicini dotati di spin. Il numero di righe (2nI + 1 per n nuclei equivalenti di spin I) e la loro spaziatura rivelano con quali e quanti nuclei l’elettrone è in contatto, fornendo informazioni sulla sua posizione nella molecola.
A cosa serve l’EPR in pratica?
A studiare radicali liberi e ioni di metalli di transizione, a misurare la dose assorbita in dosimetria delle radiazioni, a identificare alimenti trattati con radiazioni ionizzanti, e in catalisi e scienza dei materiali a seguire i centri paramagnetici attivi. Con lo spin trapping permette anche di rilevare radicali troppo reattivi per essere osservati direttamente.
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Avvertenza. Questo articolo ha finalità informative e divulgative e riflette la normativa vigente alla data di pubblicazione; le scadenze indicate possono essere modificate da provvedimenti successivi. Non sostituisce la verifica tecnica del singolo prodotto e del caso specifico. A cura della Redazione di ChimicaConforme.