Leggere spettri UV-Vis nel browser: λmax, Lambert-Beer, colore e band gap di Tauc

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Perché usare un visualizzatore nel browser per i dati UV-Vis?

L'UV-Vis è una delle misure più rapide in laboratorio. La parte lenta viene dopo: hai un file e ti servono la λmax, un'assorbività molare, una figura o un band gap. In un foglio di calcolo significa convertire unità, trovare i massimi a occhio e costruire i grafici a mano. Il visualizzatore esegue questi passaggi in una sola pagina, senza installare nulla.

La scienza in breve

λmax. Le molecole assorbono luce UV e visibile quando un elettrone passa a un orbitale più alto, come nelle transizioni π→π* o n→π*. La λmax è la lunghezza d'onda a cui una banda assorbe di più. Una coniugazione più lunga la sposta verso lunghezze d'onda maggiori. Il β-carotene, con undici legami C=C coniugati, assorbe nella parte blu dell'intervallo visibile.

Per avere un'idea approssimativa di dove dovrebbe assorbire un composto prima di misurarlo, prevedi le bande UV-Vis da una struttura disegnata con il plugin Spectroscopy.

Legge di Lambert-Beer. L'assorbanza è A = εcl, dove ε è l'assorbività molare (L mol⁻¹ cm⁻¹), c la concentrazione (mol/L) e l il cammino ottico (cm). Inoltre A = −log₁₀T. La legge vale meglio per soluzioni diluite.

Colore. Un campione appare del colore complementare alla luce che assorbe. Una banda nel blu fa apparire gialla una soluzione. Una banda nel verde, come nel permanganato, la fa apparire viola.

Grafico di Tauc. Per un semiconduttore, riporta (αhν)² in funzione dell'energia dei fotoni hν per una transizione diretta permessa, oppure (αhν)^1/2 per una indiretta permessa. Prolunga fino a zero il tratto rettilineo del bordo di assorbimento. Il punto di intersezione stima il band gap ottico, Eg.

File che puoi aprire

• JCAMP-DX (.jdx, .dx). Il visualizzatore legge dal file le unità di x e y.
• CSV o TXT a due colonne. La colonna x può essere in nm, µm, cm⁻¹ o eV. La colonna y può essere assorbanza o trasmittanza. Senza intestazioni, il visualizzatore le deduce dai numeri.

Seleziona più file insieme per sovrapporli. Per esercitarti, usa gli esempi simulati o scarica il file .jdx di esempio.

Come analizzare uno spettro, passo per passo

1. Premi Apri file UV-Vis o trascina i file nel riquadro. Puoi anche premere un esempio: β-carotene, KMnO4, Serie di un colorante (5 conc.), Band gap di ZnO o File .jdx di esempio.
2. Scegli Assorbanza o %T per l'asse y e nm, eV o cm⁻¹ per l'asse x.
3. Leggi la tabella dei picchi di λmax. Riporta ogni picco in nm, eV e cm⁻¹ con assorbanza e colore. Sposta il cursore Prominenza dei picchi se manca una spalla o compaiono piccole ondulazioni.
4. Nel riquadro Lambert-Beer, inserisci Cammino l (cm) e una Concentrazione in mol/L, mmol/L o µmol/L per ottenere ε e log ε. Oppure inserisci ε per ottenere la concentrazione. Tocca una riga della tabella o il grafico per usare un'altra lunghezza d'onda. Usa di nuovo la λmax torna indietro.
5. Per un band gap, apri Grafico di Tauc e band gap, scegli la Transizione e premi Fit automatico oppure inserisci i tuoi valori Fit da (eV) e a.
6. Premi Esporta PNG, Esporta CSV o PNG di Tauc.

Che cosa fa il visualizzatore

Come usarlo in classe e in laboratorio

• Coniugazione e colore: carica il β-carotene, poi aggiungi il KMnO4 con Aggiungi al grafico invece di sostituire. Confronta dove assorbe ciascuno e perché uno appare giallo e l'altro viola.
• Verifica della legge di Lambert-Beer: carica la serie del colorante. Seleziona ogni spettro per nome e inserisci la sua concentrazione. Se la legge vale, ε dovrebbe risultare circa uguale ogni volta.
• Concentrazione incognita: inserisci ε da una calibrazione o dalla letteratura per ottenere c.
• Film semiconduttori: usa l'esempio dello ZnO per imparare il metodo di Tauc, poi apri lo spettro del tuo film. Per un semiconduttore organico, confronta questo gap ottico con il gap elettrochimico ricavato dalle stime di HOMO e LUMO nel visualizzatore di voltammetria ciclica.
• Relazioni di laboratorio: esporta un PNG per la figura e un CSV per i dati.

Consigli e limiti

• Registra un bianco del solvente sullo spettrometro. Il visualizzatore non lo sottrae.
• Una spalla debole su una banda grande potrebbe non comparire come picco.
• Il grafico di Tauc usa l'assorbanza al posto del coefficiente di assorbimento α. Va bene per trovare dove la retta incontra lo zero. Per polveri misurate in riflettanza diffusa, converti nella funzione di Kubelka–Munk prima di aprire il file.
• Controlla l'intervallo di fitting ombreggiato e l'R² prima di riportare Eg. Un altro intervallo può dare un'altra risposta.
• Il colore è indicativo. Il colore reale dipende anche dalla larghezza della banda, dalla concentrazione e dalla sorgente luminosa.
• Il CSV riporta tutti gli spettri visibili sui valori x del primo, quindi gli spettri con griglie diverse vengono interpolati.

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