Fotometria di fiamma

La fotometria di fiamma è una tecnica analitica tipicamente utilizzata per la determinazione di ioni di metalli alcalini e, in particolare sodio e potassio e ioni di metalli alcalino-terrosi. La fotometria di fiamma, nota anche come spettroscopia di emissione di fiamma, trae origine dal mineralogista tedesco Georg Agricola che, in un articolo del 1556 descrisse come si potesse fare un’analisi qualitativa di alcuni minerali dal colore dei fumi emessi.

Gli studi pionieristici di Georg Agricola trovarono solo secoli dopo una giustificazione scientifica quando furono scoperte le particelle atomiche e la quantizzazione dell’energia. Nel 1873 Paul Champion, Henri Pellet e Charles Grenier svilupparono un metodo per l’analisi quantitativa del sodio. Il loro sistema fu il primo strumento specificamente progettato e costruito per rendere possibili dati quantitativi di alcune specie che sebbene poco preciso diede inizio alla fotometria di fiamma.

La spettrofotometria di fiamma si basa sull’emissione caratteristica di luce da parte di atomi di molti elementi metallici quando viene fornita energia sufficiente, come quella fornita da una fiamma calda. La lunghezza d’onda da utilizzare per la misurazione di un elemento dipende dalla selezione di una linea di intensità sufficiente a fornire un’adeguata sensibilità e libertà da altre linee interferenti alla lunghezza d’onda selezionata o in prossimità di essa.

Principio della fotometria di fiamma

Il principio su cui si basa la fotometria di fiamma prende spunto dalla modello atomico di Bohr secondo la quale quando a un atomo o a uno ione viene fornita energia, nella fattispecie sotto forma di calore, gli elettroni passano da uno stato fondamentale a uno stato eccitato assorbendo una energia quantizzata.

Ricadendo poi allo stato fondamentale l’energia assorbita è riemessa sotto forma di radiazione avente energia pari a E = hν essendo h la costante di Planck e ν la frequenza della radiazione. Se la radiazione ha una frequenza, ovvero una lunghezza d’onda, che cade nel campo del visibile si evidenzia una colorazione tipica.

Ad esempio, il litio produce un colore rosso, il sodio un colore giallo, il potassio un colore viola, il calcio un colore arancio. Questi colori sono caratteristici degli atomi metallici presenti come cationi in soluzione. In condizioni costanti e controllate, l’intensità luminosa della lunghezza d’onda caratteristica prodotta da ciascuno degli atomi è direttamente proporzionale al numero di atomi che emettono energia, che a sua volta è direttamente proporzionale alla concentrazione della sostanza di interesse nel campione.

Fotometro a fiamma

Per la fotometria di fiamma si utilizza un fotometro a fiamma è costituito dai seguenti componenti:
Sorgente di fiamma che fornisce il calore necessario per eccitare gli atomi o gli ioni nel campione.  La temperatura della fiamma dipende dal tipo di combustibile e dall’ossidante utilizzato:

Nebulizzatore che ha il ruolo di convertire un campione liquido in un aerosol fine, che può poi essere facilmente vaporizzato nella fiamma.

Monocromatore, dispositivo ottico che seleziona una specifica lunghezza d’onda della luce emessa dal campione. Aiuta a eliminare la radiazione di fondo indesiderata e migliora l’accuratezza delle misurazioni.

Filtri che isolano la lunghezza d’onda da misurare

Fotorilevatore in grado di convertire la radiazione emessa in un segnale elettrico che è direttamente proporzionale all’intensità della luce

Procedura

Vengono preparate sia la soluzione madre standard che la soluzione campione.  Se  la concentrazione dell’elemento nel campione è troppo alta, potrebbe essere necessario diluirlo per rientrare nell’intervallo lineare dello strumento. Le soluzioni standard con concentrazioni note vengono preparate per scopi di calibrazione.

Viene calibrata, regolando l’aria e il gas, la fiamma del fotometro. Per ottimizzare la fiamma è necessario regolare i rapporti tra combustibile e ossidante in modo che la fiamma abbia una temperatura adeguata a un’atomizzazione efficiente. Quindi si lascia che la fiamma si stabilizzi per circa 5 min. Le condizioni della fiamma svolgono un ruolo fondamentale nell’analisi della fotometria della fiamma.

Dopo l’accensione dello strumento vengono aperti della camera del filtro per inserire il filtro preselezionato in base all’atomo analizzato. L’intensità della linea di emissione viene quindi misurata ed è correlata alla concentrazione originale della soluzione. Si costruisce una curva di calibrazione utilizzando i dati delle soluzioni standard contenenti concentrazioni note dell’elemento da determinare e ottenendo, per interpolazione, la concentrazione dell’analita.

Chimicamo la chimica online perché tutto è chimica