Spettroscopia infrarossa (IR): riconoscere i gruppi funzionali

La spettroscopia infrarossa (IR) è lo strumento più rapido per rispondere alla domanda “che cosa è questa sostanza?”. Misura come una molecola assorbe la radiazione infrarossa facendo vibrare i suoi legami, e ogni gruppo funzionale lascia una firma riconoscibile. In laboratorio è la prima verifica d’identità su una materia prima in ingresso.

Vediamo perché i legami vibrano a frequenze caratteristiche, come si legge uno spettro IR, quali bande corrispondono a quali gruppi funzionali e come si usa l’IR nel controllo qualità.

Perché le molecole assorbono l’infrarosso

I legami chimici non sono rigidi: vibrano, si allungano e si piegano di continuo. Quando la radiazione infrarossa ha la stessa frequenza di una di queste vibrazioni, viene assorbita. Poiché la frequenza di vibrazione dipende dalla massa degli atomi e dalla forza del legame, ogni tipo di legame assorbe in una zona ben precisa.

Come si legge uno spettro IR

Lo spettro IR riporta la trasmittanza (%) in funzione del numero d’onda: le bande di assorbimento appaiono come avvallamenti verso il basso. È l’unico spettro che si legge “al contrario”: l’asse delle ascisse decresce da sinistra a destra.

Da che cosa dipende la posizione di una banda

La frequenza di vibrazione di un legame segue, in prima approssimazione, la legge di Hooke, come per una molla:

ν̃ = 12πc · √(kμ)

dove k è la costante di forza del legame (quanto è “rigido”) e μ la massa ridotta degli atomi coinvolti. Due conseguenze pratiche: i legami più forti (tripli > doppi > singoli) assorbono a numeri d’onda più alti; i legami con atomi leggeri (come C–H) assorbono più in alto di quelli con atomi pesanti.

Le regioni dello spettro

Lo spettro si divide in due zone operative: la regione dei gruppi funzionali (4000–1500 cm⁻¹), dove si identificano i legami, e la regione delle impronte digitali (fingerprint, sotto 1500 cm⁻¹), complessa ma unica per ogni molecola.

FT-IR e ATR

Gli strumenti moderni sono a trasformata di Fourier (FT-IR): rapidi, sensibili e con ottimo rapporto segnale/rumore. L’accessorio ATR (riflettanza totale attenuata) ha rivoluzionato la pratica: si appoggia il campione — solido o liquido — su un cristallo e si misura in pochi secondi, senza preparazione. È il motivo per cui oggi l’IR è la verifica d’identità più veloce in accettazione merci.

Stretching e bending: i modi di vibrazione

Un legame può vibrare in due modi principali: lo stretching (allungamento e accorciamento lungo l’asse del legame) e il bending (piegamento, con variazione dell’angolo). Lo stretching richiede più energia e cade quindi a numeri d’onda più alti; il bending compare più in basso, spesso nella regione fingerprint. Una stessa molecola ha molti modi di vibrazione contemporanei, e questo spiega perché uno spettro IR è ricco di bande anche per composti semplici.

La preparazione del campione

Il modo in cui si presenta il campione allo strumento ne condiziona lo spettro. Le tecniche classiche sono:

• ATR (riflettanza totale attenuata): si appoggia il campione su un cristallo, senza preparazione; oggi è di gran lunga la più usata per solidi e liquidi;
• Pasticca di KBr: il solido viene macinato con bromuro di potassio e pressato in un dischetto trasparente all’IR;
• Film liquido: una goccia di liquido tra due finestre trasparenti;
• Cella a gas: per i campioni gassosi, con cammini ottici lunghi.

L’avvento dell’ATR ha reso quasi superflua la vecchia e laboriosa preparazione delle pasticche, che resta utile in casi particolari o per analisi quantitative dedicate.

Limiti e casi difficili

L’IR ha due limiti pratici da conoscere. Il primo è l’acqua: assorbe fortemente nell’infrarosso e può mascherare le bande del campione, complicando l’analisi delle soluzioni acquose. Il secondo sono le miscele: lo spettro di una miscela è la somma degli spettri dei componenti, e districare i contributi può essere arduo. In questi casi l’IR si abbina ad altre tecniche, ad esempio la cromatografia per separare prima i componenti. Anche per questo, in laboratorio, l’IR raramente lavora da sola: è il primo filtro rapido d’identità, che poi indirizza verso le analisi di conferma più specifiche quando il risultato non è netto o il campione è una matrice complessa.

IR quantitativo e librerie spettrali

Sebbene sia soprattutto qualitativa, l’IR puo’ essere usata anche in modo quantitativo: l’intensita’ di una banda specifica è legata alla concentrazione secondo una relazione analoga alla legge di Beer-Lambert, e su questo si basano metodi dedicati (ad esempio il dosaggio di un additivo in un polimero). Sul fronte qualitativo, la forza dell’IR moderna sta nelle librerie spettrali: il software confronta automaticamente lo spettro del campione con migliaia di riferimenti e propone le corrispondenze piu’ probabili con un punteggio. È lo strumento che rende l’identificazione rapida anche per chi non interpreta a mano ogni banda, pur restando indispensabile il controllo critico di un operatore esperto.

IR e conformità

Nel controllo qualità l’IR serve a confermare l’identità di una materia prima (confronto con uno spettro di riferimento), a individuare contaminazioni o sostituzioni di fornitore e a identificare polimeri e materiali. È una verifica documentabile che spesso accompagna l’accettazione di un lotto e supporta la coerenza di quanto dichiarato nelle schede dati di sicurezza.

Vedi anche. A energie ancora più basse, nelle microonde, opera la spettroscopia rotazionale, che misura la rotazione delle molecole e ne ricava le lunghezze di legame.

Domande frequenti

Perché lo spettro IR si legge da destra a sinistra?

Per convenzione storica l’asse del numero d’onda decresce da sinistra (4000 cm⁻¹) a destra (400 cm⁻¹). Le bande compaiono come avvallamenti perché si rappresenta la trasmittanza: dove la molecola assorbe, passa meno luce.

Che cos’è la regione fingerprint?

È la zona sotto i 1500 cm⁻¹, ricca di bande e molto complessa. Non si interpreta banda per banda, ma è praticamente unica per ogni molecola: per questo si usa per confermare l’identità di una sostanza confrontando il suo spettro con un riferimento.

L’IR dice la concentrazione?

È soprattutto una tecnica qualitativa e di identificazione. Può essere usata in modo quantitativo in casi specifici, ma per il dosaggio di routine si preferiscono UV-Vis o cromatografia.

Che cos’è l’ATR?

È un accessorio che permette di analizzare un campione appoggiandolo su un cristallo, senza prepararlo. Ha reso l’IR rapidissimo e non distruttivo, ideale per controlli d’identità in accettazione merci.

Tutti i legami si vedono in IR?

No: per assorbire nell’infrarosso una vibrazione deve far variare il momento di dipolo della molecola. I legami molto simmetrici (come in molecole biatomiche omonucleari) sono “IR-inattivi” e non danno banda.