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Argomento

Spettro di HCl: rotatore rigido + oscillatore armonico, R₀, k, J* più popolato, spettro a T=0K, effetto isotopo ³⁷Cl

math-checked
Sorgente: Appello Luglio 2022 — Struttura della Materia
aggiornato 2026-06-25

Testo

Si misura lo spettro di assorbimento di HCl gassoso a temperatura ambiente nell’intervallo ν~∈[30, 5000] cm−1\tilde\nu\in[30,\,5000]\ \mathrm{cm^{-1}}, con risoluzione spettrale ν~/Δν~=50\tilde\nu/\Delta\tilde\nu=50. Si osservano due strutture:

  • (a) una serie di righe a ν~=83, 104, 124, 145, 165, 186, 206 cm−1\tilde\nu=83,\,104,\,124,\,145,\,165,\,186,\,206\ \mathrm{cm^{-1}};
  • (b) una riga intensa centrata a ν~=2890 cm−1\tilde\nu=2890\ \mathrm{cm^{-1}}.

Cloro: composizione isotopica 100% 35Cl100\%\ ^{35}\mathrm{Cl}, M35Cl=34,97 u.m.a.M_{^{35}\mathrm{Cl}}=34{,}97\ \mathrm{u.m.a.} (MH=1,008 u.m.a.M_H=1{,}008\ \mathrm{u.m.a.}). Si chiede di:

  1. spiegare l’origine delle due strutture spettrali;
  2. nelle approssimazioni di rotatore rigido e oscillatore armonico, calcolare la distanza di equilibrio R0R_0, la costante elastica kk, e determinare lo stato rotazionale J∗J^\ast più popolato;
  3. dire come si modificano le due strutture a T=0 KT=0\ \mathrm{K} (con disegno qualitativo e discussione della larghezza delle righe);
  4. stabilire se la stessa misura al punto (b), effettuata su un campione contenente anche l’isotopo 37Cl^{37}\mathrm{Cl} (M=36,96 u.m.a.M=36{,}96\ \mathrm{u.m.a.}), ne rivelerebbe la presenza (a T=0 KT=0\ \mathrm{K}).
Notazione e costanti

Numero d’onda ν~=1/λ\tilde\nu=1/\lambda in cm−1\mathrm{cm^{-1}}; kTkT in cm−1\mathrm{cm^{-1}} si ricava come kT=0,695⋅T(K)kT=0{,}695\cdot T(\mathrm{K}). In unità atomiche 1 u.m.a.=1823 me1\ \mathrm{u.m.a.}=1823\ m_e, 1 a.u.=a0=0,529 A˚1\ \mathrm{a.u.}=a_0=0{,}529\ \text{Å} e 1 a.u.=27,211 eV1\ \mathrm{a.u.}=27{,}211\ \mathrm{eV}; la conversione cm−1→a.u.\mathrm{cm^{-1}}\to\mathrm{a.u.} è ν~/(27,211⋅8065,5)\tilde\nu/(27{,}211\cdot 8065{,}5).


1) Origine delle due strutture spettrali

Le righe (a) sono equispaziate: le differenze successive valgono 21, 20, 21, 20, 21, 20 cm−121,\,20,\,21,\,20,\,21,\,20\ \mathrm{cm^{-1}}, con spaziatura media ≈20,5 cm−1\approx 20{,}5\ \mathrm{cm^{-1}}. Si tratta dello spettro rotazionale puro del rotatore rigido, le cui righe (ΔJ=+1\Delta J=+1) cadono a

Spettro rotazionale puro del rotatore rigido
ν~J=2B~ (J+1),J=0,1,2,…⇒Δν~=2B~\tilde\nu_J = 2\tilde B\,(J+1),\qquad J=0,1,2,\dots\quad\Rightarrow\quad \Delta\tilde\nu=2\tilde B

La riga intensa (b) a 2890 cm−12890\ \mathrm{cm^{-1}} è invece la banda vibrazionale fondamentale ν~0\tilde\nu_0: transizione n=0→1n=0\to1 dell’oscillatore armonico. Il motivo per cui essa appare come un’unica riga (e non come il consueto pettine rotovibrazionale con rami P ed R) è la risoluzione insufficiente dello strumento in quella regione.

Rotazionale risolta, vibrazionale no: perché

Il potere risolutivo costante ν~/Δν~=50\tilde\nu/\Delta\tilde\nu=50 dà una separazione minima risolvibile Δν~min⁡=ν~/50\Delta\tilde\nu_{\min}=\tilde\nu/50 che cresce con la regione spettrale.

  • Rotazionale pura (a ∼100 cm−1\sim100\ \mathrm{cm^{-1}}): servirebbe separare righe distanti 2B~≈20 cm−12\tilde B\approx20\ \mathrm{cm^{-1}}; richiede R=100/20≈5≪50R=100/20\approx5\ll50 → risolta.
  • Rotovibrazionale (a ∼3000 cm−1\sim3000\ \mathrm{cm^{-1}}): le righe dei rami P ed R distano 4B~≈40 cm−14\tilde B\approx40\ \mathrm{cm^{-1}} (la riga mancante al centro è il ramo Q assente per Λ=0\Lambda=0); servirebbe R=3000/40≈75>50R=3000/40\approx75>50 → non risolta: la banda collassa in una sola riga larga centrata su ν~0\tilde\nu_0.
Errore comune

Non confondere la risoluzione relativa ν~/Δν~\tilde\nu/\Delta\tilde\nu con la separazione assoluta Δν~\Delta\tilde\nu: qui la prima è fissa, quindi il limite è più stringente ad alta frequenza. Dire “la banda è unica perché HCl non ruota” è sbagliato: HCl ruota, le righe rotazionali esistono ma lo strumento non le separa.


2) Parametri molecolari: R0R_0, kk, J∗J^\ast

Distanza di equilibrio R0R_0

Dalla spaziatura media 2B~≈20,5 cm−12\tilde B\approx20{,}5\ \mathrm{cm^{-1}} si ha B~≈10,25 cm−1\tilde B\approx10{,}25\ \mathrm{cm^{-1}}. La massa ridotta di H35Cl\mathrm{H}^{35}\mathrm{Cl} è

Massa ridotta
μ=MClMHMCl+MH=34,97⋅1,00835,978=0,9798 u.m.a.\mu=\frac{M_{\mathrm{Cl}}M_H}{M_{\mathrm{Cl}}+M_H} =\frac{34{,}97\cdot 1{,}008}{35{,}978}=0{,}9798\ \mathrm{u.m.a.}

In unità atomiche μ=0,9798⋅1823\mu=0{,}9798\cdot 1823 e B~au=10,25/(27,211⋅8065,5)\tilde B_{\mathrm{au}}=10{,}25/(27{,}211\cdot 8065{,}5). Dalla relazione del rotatore rigido B~=1/(2μR02)\tilde B=1/(2\mu R_0^2) (in a.u.):

Distanza di equilibrio dal rotatore rigido
R0=12μ B~(a.u.)R_0=\sqrt{\frac{1}{2\mu\,\tilde B}}\quad\text{(a.u.)}
Calcolo numerico (a.u.)
R0=12⋅(0,9798⋅1823)⋅10,25/(27,211⋅8065,5)=2,448 a.u.=2,448⋅0,529 A˚≈1,30 A˚R_0=\sqrt{\frac{1}{2\cdot(0{,}9798\cdot 1823)\cdot 10{,}25/(27{,}211\cdot 8065{,}5)}} =2{,}448\ \mathrm{a.u.}=2{,}448\cdot 0{,}529\ \text{Å}\approx \mathbf{1{,}30\ \text{Å}}

Costante elastica kk

Dalla riga vibrazionale ν~0=2890 cm−1\tilde\nu_0=2890\ \mathrm{cm^{-1}}: ω=2πcν~0\omega=2\pi c\tilde\nu_0 e, dall’oscillatore armonico, ω=k/μ\omega=\sqrt{k/\mu}.

Costante elastica dell'oscillatore armonico
k=μ ω2=μ (2πc ν~0)2k=\mu\,\omega^2=\mu\,(2\pi c\,\tilde\nu_0)^2
Calcolo numerico (SI)

Con μ=0,9798⋅1,66⋅10−27 kg\mu=0{,}9798\cdot 1{,}66\cdot10^{-27}\ \mathrm{kg}, c=2,998⋅1010 cm/sc=2{,}998\cdot10^{10}\ \mathrm{cm/s}:

k=(2890⋅2π⋅2,998⋅1010)2⋅(0,9798⋅1,66⋅10−27)≈4,8⋅102 N/mk=(2890\cdot 2\pi\cdot 2{,}998\cdot10^{10})^2\cdot(0{,}9798\cdot 1{,}66\cdot10^{-27}) \approx \mathbf{4{,}8\cdot10^{2}\ N/m}

Stato rotazionale J∗J^\ast più popolato

La popolazione del livello JJ (rotazione, v=0v=0) è proporzionale alla degenerazione (2J+1)(2J+1) per il fattore di Boltzmann e−B~J(J+1)/(kT)e^{-\tilde B J(J+1)/(kT)}. Massimizzando rispetto a JJ:

Massimo della distribuzione rotazionale

Imponendo ddJ[(2J+1) e−B~J(J+1)/kT]=0\dfrac{d}{dJ}\bigl[(2J+1)\,e^{-\tilde B J(J+1)/kT}\bigr]=0 si ottiene, nell’approssimazione J≫1J\gg 1, 2−(2J+1)(2J+2) B~/kT=02-(2J+1)(2J+2)\,\tilde B/kT=0, da cui:

J∗≃kT2B~−12J^\ast\simeq \sqrt{\frac{kT}{2\tilde B}}-\frac{1}{2}
Calcolo a $T=300\ \mathrm{K}$

kT=0,695⋅300=208,5 cm−1kT=0{,}695\cdot 300=208{,}5\ \mathrm{cm^{-1}} (si usa anche 207 cm−1207\ \mathrm{cm^{-1}} per arrotondamento), 2B~=20,5 cm−12\tilde B=20{,}5\ \mathrm{cm^{-1}}:

J∗=208,520,5−12=10,17−0,5=3,19−0,5≃2,69 ⇒ J∗=3J^\ast=\sqrt{\frac{208{,}5}{20{,}5}}-\frac{1}{2}=\sqrt{10{,}17}-0{,}5=3{,}19-0{,}5\simeq 2{,}69 \ \Rightarrow\ \boxed{J^\ast=3}
Il compromesso che determina $J^\ast$

A T=0T=0 tutte le molecole stanno in J=0J=0 (fattore di Boltzmann vincente). Aumentando TT, il fattore (2J+1)(2J+1) fa crescere la popolazione dei livelli con JJ alto, mentre l’esponenziale la fa calare: il massimo è il compromesso fra i due effetti, da cui un J∗J^\ast finito e intero. È la ragione per cui lo spettro rotazionale a temperatura ambiente mostra un “envelope” con un massimo di intensità a JJ intermedio.

Spettro rotovibrazionale (rami P, R)

Il ramo R (Δj=+1) e il ramo P (Δj=−1) sono simmetrici attorno a ω₀; il ramo Q (Δj=0) manca per Λ=0. L'intensità segue la popolazione di Boltzmann del livello iniziale: il fattore (2j+1) sposta il massimo a un j* finito.


3) Spettro a T=0 KT=0\ \mathrm{K}

A T=0T=0 tutte le molecole sono nello stato fondamentale rotazionale e vibrazionale: (v=0, J=0)(v=0,\,J=0). Le regole di selezione di dipolo ΔJ=±1\Delta J=\pm1 (con ΔJ=0\Delta J=0 assente per Λ=0\Lambda=0) e Δv=±1\Delta v=\pm1 permettono, dallo stato fondamentale, due sole transizioni:

Transizioni ammesse da $(v,J)=(0,0)$
(v,J)=(0,0)→(0,1): ν~=2B~≃20,5 cm−1(rotazionale pura)(v,J)=(0,0)\to(0,1):\ \tilde\nu=2\tilde B\simeq 20{,}5\ \mathrm{cm^{-1}} \quad\text{(rotazionale pura)}(v,J)=(0,0)→(1,1): ν~=ν~0+2B~≃2910,5 cm−1(prima riga del ramo R, R(0))(v,J)=(0,0)\to(1,1):\ \tilde\nu=\tilde\nu_0+2\tilde B\simeq 2910{,}5\ \mathrm{cm^{-1}} \quad\text{(prima riga del ramo R, }R(0)\text{)}
Mancano il ramo P e la riga centrale

La transizione R(0)R(0) è l’unica del ramo vibrazionale perché la P(0)P(0) richiederebbe J=−1J=-1 (inesistente): non esiste transizione (0,0)→(1,−1)(0,0)\to(1,-1). La riga a ν~0\tilde\nu_0 (centro, ramo Q) manca anch’essa (ΔJ=0\Delta J=0 proibito per Λ=0\Lambda=0). Nell’intervallo 3030–5000 cm−15000\ \mathrm{cm^{-1}}, con partenza da ν~=30 cm−1\tilde\nu=30\ \mathrm{cm^{-1}}, la riga rotazionale a 20,5 cm−120{,}5\ \mathrm{cm^{-1}} cade sotto il range: resta osservabile solo la riga a 2910,5 cm−1\mathbf{2910{,}5\ \mathrm{cm^{-1}}}.

Disegno qualitativo. Lo spettro, rispetto a quello a TT ambiente, si svuota: all’aumentare di ν~\tilde\nu si osserva una riga isolata a 2910,5 cm−12910{,}5\ \mathrm{cm^{-1}} (cui, se il range includesse i 20 cm−120\ \mathrm{cm^{-1}}, si aggiungerebbe la sola riga rotazionale J=0→1J=0\to1). Niente pettine, niente envelope con massimo a J=3J=3.

Larghezza delle righe a bassa $T$

La larghezza naturale Γ∼ℏ/τ\Gamma\sim\hbar/\tau è in genere trascurabile; dominano due meccanismi:

  • allargamento collisionale (pressure broadening): Γcoll∝\Gamma_{\mathrm{coll}}\propto frequenza di collisione ∝p/T\propto p/\sqrt{T}. A TT minore (e same pp) le molecole collisionano meno → τ\tau maggiore → righe più strette;
  • struttura rotazionale della banda vibrazionale: a TT ambiente la riga (b) è la sovrapposizione non risolta di molte righe dei rami P/R; a T=0T=0 contribuisce una sola riga (R(0)R(0)), quindi la banda si restringe di fatto alla sua componente singola.

4) Effetto dell’isotopo 37Cl^{37}\mathrm{Cl} (a T=0 KT=0\ \mathrm{K})

Cambiando isotopo, la costante elastica kk (legame elettronico) non cambia, mentre la massa ridotta sì: la frequenza scala come ω=k/μ\omega=\sqrt{k/\mu}.

Shift isotopico vibrazionale
ν~37ν~35=μ35μ37,μ35=34,97⋅1,00835,978=0,9798 u.m.a.\frac{\tilde\nu_{37}}{\tilde\nu_{35}}=\sqrt{\frac{\mu_{35}}{\mu_{37}}},\qquad \mu_{35}=\frac{34{,}97\cdot 1{,}008}{35{,}978}=0{,}9798\ \mathrm{u.m.a.}μ37=36,96⋅1,00837,968=0,9812 u.m.a.\mu_{37}=\frac{36{,}96\cdot 1{,}008}{37{,}968}=0{,}9812\ \mathrm{u.m.a.}
Calcolo dello shift
ν~37ν~35=0,97980,9812=0,99929 ⇒ ν~37=2890⋅0,99929≃2888 cm−1\frac{\tilde\nu_{37}}{\tilde\nu_{35}} =\sqrt{\frac{0{,}9798}{0{,}9812}}=0{,}99929 \ \Rightarrow\ \tilde\nu_{37}=2890\cdot 0{,}99929\simeq \mathbf{2888\ cm^{-1}}

shift ∣Δν~∣≃2,1 cm−1|\Delta\tilde\nu|\simeq 2{,}1\ \mathrm{cm^{-1}}.

Sono risolvibili con lo strumento?

La risoluzione necessaria per separare le due righe a ∼2890 cm−1\sim2890\ \mathrm{cm^{-1}} distanziate ∼2 cm−1\sim2\ \mathrm{cm^{-1}} è

Rnec=ν~0∣Δν~∣≃28902≈1400≫50R_{\mathrm{nec}}=\frac{\tilde\nu_0}{|\Delta\tilde\nu|}\simeq\frac{2890}{2}\approx 1400\gg 50

A T=0 KT=0\ \mathrm{K}, inoltre, ciascun isotopo dà una sola riga (R(0)R(0)): nessuna struttura aiuta la discriminazione. Conclusione: lo strumento non rivela la presenza di 37Cl^{37}\mathrm{Cl}.

Perché lo shift è così piccolo

μ\mu è dominata dal partner più leggero: μ=MHMCl/(MH+MCl)≈MH\mu=M_H M_{\mathrm{Cl}}/(M_H+M_{\mathrm{Cl}})\approx M_H (perché MCl≫MHM_{\mathrm{Cl}}\gg M_H). Variare 35→3735\to37 in MClM_{\mathrm{Cl}} cambia μ\mu di pochissimo (da 0,97980{,}9798 a 0,98120{,}9812, ∼0,1%\sim0{,}1\%), e la frequenza solo come μ\sqrt{\mu}: shift ∼0,07%\sim0{,}07\%. È il motivo per cui, in spettroscopia IR, la sostituzione isotopica sull’idrogeno (H→D) produce effetti molto più grandi di quella sul cloro: vedi l’esercizio gemello su DCl.

Errore numerico ricorrente

Alcuni riportano ν~37=2886 cm−1\tilde\nu_{37}=2886\ \mathrm{cm^{-1}} (shift ∼4 cm−1\sim4\ \mathrm{cm^{-1}}): deriva da un μ35/μ37\mu_{35}/\mu_{37} approssimato male (oppure dall’usare MH=1M_H=1 esatto per un isotopo e 1,0081{,}008 per l’altro). Con MH=1,008M_H=1{,}008 per entrambi lo shift è ∼2 cm−1\sim2\ \mathrm{cm^{-1}}, ma la conclusione qualitativa è invariata: Rnec∼103≫50R_{\mathrm{nec}}\sim10^3\gg50, non risolvibile.


Sintesi

GrandezzaEspressioneValore
Costante rotazionaleB~\tilde B (da 2B~≃20,52\tilde B\simeq20{,}5)B~≃10,25 cm−1\tilde B\simeq10{,}25\ \mathrm{cm^{-1}}
Massa ridotta H35Cl\mathrm{H}^{35}\mathrm{Cl}MClMH/(MCl+MH)M_{\mathrm{Cl}}M_H/(M_{\mathrm{Cl}}+M_H)0,9798 u.m.a.0{,}9798\ \mathrm{u.m.a.}
Distanza di equilibrio R0R_01/(2μB~)\sqrt{1/(2\mu\tilde B)} (a.u.)2,45 a.u.≈1,30 A˚2{,}45\ \mathrm{a.u.}\approx1{,}30\ \text{Å}
Costante elastica kkμ(2πcν~0)2\mu(2\pi c\tilde\nu_0)^2≈4,8⋅102 N/m\approx4{,}8\cdot10^{2}\ \mathrm{N/m}
Stato più popolato J∗J^\astkT/(2B~)−1/2\sqrt{kT/(2\tilde B)}-1/22,69→J=32{,}69\to J=3
Shift isotopico 35 ⁣→ ⁣37Cl^{35}\!\to\!^{37}\mathrm{Cl}ν~37=ν~35μ35/μ37\tilde\nu_{37}=\tilde\nu_{35}\sqrt{\mu_{35}/\mu_{37}}∼2 cm−1\sim2\ \mathrm{cm^{-1}} (a 28902890)
Risoluzione necessaria (isotopi)$\tilde\nu_0/\Delta\tilde\nu
Risoluzione necessaria (rotovib)ν~0/(4B~)\tilde\nu_0/(4\tilde B)∼75>50\sim75>50 → banda non risolta
Risoluzione necessaria (rot. pura)ν~/(2B~)\tilde\nu/(2\tilde B)∼5≪50\sim5\ll50 → risolta
Le tre idee chiave dell'esercizio
  1. La risoluzione relativa ν~/Δν~\tilde\nu/\Delta\tilde\nu è costante, quindi il limite è più stringente ad alta frequenza: la stessa strumentazione vede il pettine rotazionale a ∼100 cm−1\sim100\ \mathrm{cm^{-1}} ma lo nasconde nella banda a ∼3000 cm−1\sim3000\ \mathrm{cm^{-1}}.
  2. J∗J^\ast esprime un compromesso fra degenerazione (2J+1)(2J+1) e fattore di Boltzmann: a T=0T=0 vince il fattore esponenziale (J=0J=0), a TT crescente si sposta a JJ interi.
  3. Lo shift isotopico è piccolo perché la massa ridotta è dominata dall’idrogeno: la sostituzione 35 ⁣→ ⁣37Cl^{35}\!\to\!^{37}\mathrm{Cl} muove μ\mu dell’∼0,1%\sim0{,}1\% soltanto.

Formule chiave

  • Rotatore rigido: ν~J=2B~(J+1)\tilde\nu_J=2\tilde B(J+1), spaziatura 2B~2\tilde B; B~=1/(2μR02)\tilde B=1/(2\mu R_0^2) in a.u.
  • Oscillatore armonico: ν~0=12πckμ\tilde\nu_0=\dfrac{1}{2\pi c}\sqrt{\dfrac{k}{\mu}}, da cui k=μ(2πcν~0)2k=\mu(2\pi c\tilde\nu_0)^2.
  • Stato più popolato: J∗≃kT2B~−12J^\ast\simeq\sqrt{\dfrac{kT}{2\tilde B}}-\dfrac{1}{2}, con kT=0,695 TkT=0{,}695\,T in cm−1\mathrm{cm^{-1}}.
  • Regole di selezione (Λ=0\Lambda=0): ΔJ=±1\Delta J=\pm1 (no QQ), Δv=±1\Delta v=\pm1; a T=0T=0 solo J=0→1J=0\to1 (rot.) e R(0)R(0) (rotovib).
  • Shift isotopico: ν~′ν~=μμ′\dfrac{\tilde\nu'}{\tilde\nu}=\sqrt{\dfrac{\mu}{\mu'}} (con kk invariato).
  • Risoluzione necessaria: Rnec=ν~/Δν~righeR_{\mathrm{nec}}=\tilde\nu/\Delta\tilde\nu_{\mathrm{righe}} da confrontare con Rstrum=50R_{\mathrm{strum}}=50.
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