La spettroscopia molecolare studia come le molecole assorbono, emettono o diffondono radiazione elettromagnetica. Ogni tecnica spettroscopica interroga differenze di energia tra stati quantizzati: rotazionali, vibrazionali, elettronici o magnetici.
La relazione fondamentale tra energia e radiazione è:
dove \nu è la frequenza, \lambda la lunghezza d’onda e \tilde\nu il numero d’onda.
Le regioni spettrali corrispondono a transizioni diverse:
| Regione | Transizione tipica |
|---|---|
| microonde | rotazionale |
| infrarosso | vibrazionale |
| UV-visibile | elettronica |
| radiofrequenza | spin nucleare, NMR |
Modelli elementari
Per rotore rigido:
Per oscillatore armonico:
Questi modelli sono idealizzati ma molto utili: il rotore rigido collega spaziatura delle righe e momento d’inerzia molecolare; l’oscillatore armonico collega frequenza vibrazionale e forza del legame. Le molecole reali mostrano anarmonicità, accoppiamenti, allargamento di riga e interazioni con solvente o matrice.
Regole di selezione e intensità
Non ogni differenza di energia produce una transizione osservabile. Le regole di selezione dipendono dalla variazione del momento di dipolo, del momento di polarizzabilità o dei momenti magnetici. Per esempio, una vibrazione è attiva in infrarosso se modifica il momento di dipolo della molecola.
L’intensità di una banda dipende da popolazione dello stato iniziale, probabilità di transizione, concentrazione, cammino ottico e caratteristiche dello strumento. Per misure quantitative in assorbimento si usa spesso la legge di Lambert-Beer:
Applicazioni
La spettroscopia molecolare è usata per identificare specie chimiche, misurare concentrazioni, ricavare geometrie molecolari, studiare superfici, seguire cinetiche, riconoscere gruppi funzionali e caratterizzare materiali. In ambito ambientale e industriale permette monitoraggio in linea di gas, solventi, reazioni e contaminanti.
Nella pratica si combinano spesso tecniche diverse. L’IR identifica legami e gruppi funzionali, l’UV-visibile segue cromofori e concentrazioni, l’NMR dà informazioni su connettività e ambiente chimico dei nuclei, la spettrometria di massa misura rapporti massa/carica e frammentazione.
Limiti
Un errore comune è interpretare una singola banda come prova univoca di struttura. Le bande possono sovrapporsi, spostarsi per solvente o interazioni intermolecolari e cambiare intensità per motivi strumentali. L’interpretazione robusta richiede confronto con standard, condizioni sperimentali note e, spesso, più tecniche complementari.
Vedi anche: Legge di Lambert-Beer, Assorbanza, NMR, Spettrometria di massa, Chimica fisica.