1. INTRODUZIONE...– Estenderemetodiesistentia nuovitipi di campioni – Sviluppare nuovimetodiper misurarefenomenichimici CAII+Lab - 1. Introduzione CHIMICA ANALITICA ←→TEORIA

CHIMICAANALITICAIIconLABORATORIO

1.INTRODUZIONE

FedericoMariniFedericoMarini

Dept.Chemistry,University ofRome“LaSapienza”,Rome,ItalyDept.Chemistry,University ofRome“LaSapienza”,Rome,Italy

Chimica Analitica

• Nonsolo:– Areadella chimica che si interessa dicaratterizzare lacomposizione della

materia sia qualitativamente (cosa è presente)che quantitativamente(quanto ce n’è)

• Maanche:– Miglioraremetodi già consolidati– Estenderemetodi esistenti anuovi tipidicampioni– Sviluppare nuovimetodi permisurare fenomeni chimici

CAII+Lab - 1. Introduzione

CHIMICAANALITICA←→TEORIADELL’INFORMAZIONECHIMICA

“Analyticalchemistryiswhatanalyticalchemistsdo”C.N.Reilley (1925–1981)

Chimica Analitica - 2

• Disciplinascientificachesviluppaeapplicametodi,strumentiestrategieperottenereinformazioni sullacomposizioneenaturadellamaterianellospazioeneltempo.WorkingPartyofAnalyticalChemistryoftheFederationofEuropeanChemicalSocieties(WPAC/FECS)


“Thescienceofinventingandapplyingtheconcepts,principles,and…strategiesformeasuringthecharacteristicsofchemicalsystemsandspecies.” R.W.Murray(1991)

Chimica Analitica - 3• Ichimici analitici operano spesso ai limiti estremi delle condizioni

d’analisi,estendendoemigliorando lecapacità ditutti i chimici difaremisure significative:– Sucampioni sempre più piccoli– Sucampioni sempre più complessi– Suscaleditemposempre più brevi– Suspeciepresenti aconcentrazioni sempre più basse.

• Lachimica analitica hafornitomolti degli strumenti edei metodinecessari nelle altre tradizionali aree della chimica così comeinambiti multidisciplinari quali lachimica farmaceutica,lachimicaforense,lachimica clinica,lascienza dei materiali,lageochimica,lachimica ambientale,etc.


Laprospettiva analitica

Riprodotto da:D.Harvey,ModernAnalyticalChemistry,McGraw-Hill,2000CAII+Lab - 1. Introduzione

Analisi chimica quantitativa• Analisi volta adeterminare laquantità diuna opiù speciecostituenti

presenti inuncampione


ANALISICHIMICA

QUANTITATIVA QUALITATIVA

CLASSICA STRUMENTALE

VOLUMETRIA GRAVIMETRIA

Illaboratorioanalitico


Illaboratorio analitico• Ilcorretto svolgimento diun’analisi richiede che si abbiano delle

attrezzature appropriate


STRUMENTI

ATTREZZATUREDILABORATORIO

VETRERIA REATTIVI

Vetreria• Esistonomoltitipidiversidivetreriadalaboratorio,chesi

distinguonoper:– MATERIALE: Inerterispettoallesostanzeconcuivieneacontatto– DIMENSIONI: Opportunepercontenereilcampione– FORMA: Adattaalloscopo


Faremisurevolumetriche

Contenerecampionioreattivi

Miscelareoprepararesoluzioni

Riscaldare,raffreddare,filtrare,…

Vetreria:materiali• VETRO: Èilmaterialepiùutilizzato.Relativamente

inerte,trasparente,facilmentelavorabileeresistentealcalore(vetroborosilicato– Pyrex–resistenteastresstermico).– Vetrodicolorebrunoperproteggereilcontenuto

dall’effettodellaluceesterna

• PLASTICA: Piùeconomicaerobusta,mapiùopacaemenoresistentealcalore.Piùdifficiledalavorare/modellare– ContenitoridipolietileneusatiperHFesostanze

caustichecomeKOHchepossonoattaccare/corrodereilvetro.

• PORCELLANA:Dautilizzarsipertemperaturemoltoelevate


Vetreria:esattezza• Lasceltadellavetreriadautilizzaredipendestrettamente

dall’esattezzaconlaqualesivogliaconoscereilvolumeerogatoocontenuto.– Beute,beaker,pipettegraduateecilindrigraduatipossonoessereutilizzati

permisureapprossimatedivolume(erroridell’ordinediqualchepercento)– Pipettetarate,matraccitaratieburetterappresentanostrumentiperla

misura(più)esattadivolume.


Vetreria:matraccio tarato• Ilmatraccioètarato“perriempimento”:

– Adunadatatemperatura,contieneunvolumedeterminatodiliquido.– Ilvolumeèfissoedindicatodaunataccasulcollo.– Haun’esattezzageneralmentedi0.03-0.2%

– Vieneusatoperlapreparazionedisoluzioniatitolonoto– Puòessereancheusatoperdiluireunasoluzioneadunvolumeesatto.

– Variempitofinoaquandoilmeniscoinferiorediventatangenteallataccadimisura:


Vetreria:pipetta tarata• Lapipettataratapermettedierogareunvolumefissodisoluzione:

– L’esattezzadiunapipettataratapuòessereparagonabileaquelladiunmatracciodivolumeequivalente.

– Puòessere“ascolamento”oppure“aduetacche”.


Vetreria:buretta• Laburettaèusataperl’erogazioneaccuratadiunaquantità

variabilediliquido:– Èusatanelletitolazioni,dovepermettedidispensare(inmanieraquasi

continuao“gocciaagoccia”)unvolumevariabilediliquidomisuratoesattamente.

– Funziona(edètarata)persvuotamento– UnulterioreaiutoallaletturaèdatodallarigadiSchellbach


Reattivi• Anchenellasceltadeireattiviintervengonodiversifattori:

– QUALITÀ:Gradodipurezza,presenzadispecificiinterferenti– COSTO:Legatoallapurezzaealconfezionamento– SICUREZZA:Personaleeambientale(→greenchemistry)


Reattivi:classificazione• Rispettoalgradodipurezza:

– Prodotti tecnici o commerciali: basso livello di purezza, non adatti ad un lavoro analitico

– Grado reagente o grado di purezza analitico (RPE): prodotti conformi agli standard minimi per un lavoro analitico. Possono essere indicati:

• i limiti massimi di impurezza consentiti • l’effettivo valore per le varie impurezze

– Reagenti chimici per fini speciali (RS): reagenti estremamente puri o esenti da determinate sostanze.

– Reagenti di grado farmaceutico (RHP): conforme alle diverse farmacopee.

– Reagenti di grado industriale (RE): per sintesi o usi diversi.


Strumenti• STUFE: Permettonodiriscaldareicampioniper:

– Rimuoverel’umidità(essiccare)– Iniziareprocessididecomposizionetermica– Sidifferenzianoper:

• Capacità• Temperaturamassimadiesercizio• PossibilitàdicontrollarelaT

• BILANCE: Permettonolamisuradellamassa.Asecondadellasensibilitàsidividonoin:– Tecnica– Analitica


L’analisichimica


Fasi dell’analisi chimica• Laprocedura analitica totale è composta dauna serie distadi

moltoimportanti:1. DEFINIZIONEGENERALEDELPROBLEMA2. DEFINIZIONEANALITICADELPROBLEMA3. SCELTADIMETODO,TECNICA,PROCEDURA,PROTOCOLLO4. CAMPIONAMENTO5. TRATTAMENTODELCAMPIONE6. ANALISI7. VALUTAZIONEDEIDATI8. CONCLUSIONI

• Unchimico analitiico deve essere ingrado diaffrontare inmodocritico TUTTElefasi dell’analisi chimica.


Scelta delmetodo d’analisi• Perscegliere il metodo d’analisi più adatto si devono valutare:

• Scopo dell’analisi• Natura del campione• Numero, frequenza e luogo di analisi• Strumentazionedisponibile• Accuratezza (esattezza e precisione), tempi, costi• Sensibilità, limite di rivelabilità e di quantificazione• Quantità di analita• Selettività


Classificazione dei metodi d’analisi

• Sullabasedella quantità dicampione richiesta:– MACRO:m>0.1g– MESO(SEMIMICRO):0.01g≤m≤0.1g– MICRO:m<0.01g

• Sullabasedella concentrazione dell’analita:– MAJOR: C>1%– MINOR: 0.01%≤C≤1%– TRACCE: C<0.01%


Selettività diunmetodo d’analisi

• Capacitàdiunmetodoanaliticodideterminareunivocamentel’analita diinteresse.

• Garantiscechelamisurasiaeffettivamenteriferibilesolamenteall'analita oggettodell'analisi.

• Leinterferenzepossonoportareasottostimareosovrastimareilrisultatofinale:– Trasformazionedell’analita inuna formamisurabile– Separazione fisica dell’analita dalle interferenze


Metodi analitici standard• EsistononumerosimetodistandardindicatidavariEntinazionalie

internazionali:• ASTM (American Society for TestingandMaterials)

• API (American Petroleum Institute)

• APHA (American Public Health Association)

• AOAC (Association ofOfficial Analytical Chemists)

• ISO (International Organization for Standardization)

• IRSA (Istituto di Ricerca sulle Acque)

• NBS (National Bureau of Standards)

• Sonoprocedurestandardizzate,chegarantisconodiottenererisultaticonfrontabiliintuttiilaboratori(inparticolare,interminidiesattezzaeprecisione)


“L’accuratezza di molti reports che contengono dati analitici èun miraggio, dal momento che un’inconsapevole negligenzaed una sbagliata valutazione dei costi hanno fatto sì che uncampione di polvere preso con superficiale rapidità vengaanalizzato con una precisione piuttosto costosa.”

Kaye– IllinoisInstitute ofTechnology(1967)

Campionamento

• Insiemedioperazioniattealprelievodiuncampionerappresentativodell’interamassa

• Bisognavalutare:• Scopo dell’analisi

• Grado di omogeneità del campione

• Accuratezza, tempo e costomassimo ammissibili

• Stato fisico del campione

Dati affidabili?

• Errori sistematici nel campionamento si ripercuotonosignificativamente sull’esattezza del risultato e sulla validitàdei modellimessi a punto a partire dai dati

• Errori casuali di campionamento particolarmente grandifanno sì che l’incertezza del risultato analitico sia altrettantorilevante

• Fare previsioni accurate o comunque affidabili a partire daidati analitici diventa piuttostodifficile e/o costoso

Campionamento ed analisi

• Il controllo di qualità richiede una qualche forma di analisi chimicache prevede, in molti se non in tutti i casi, uno o più stadi dicampionamento

• Campioni da analizzare (in genere < 1-2 g) vs lotti (possono ancheraggiungere le migliaia di tonnellate

• Diversi stadi di campionamento alternati, nel caso dei solidi, conaltrettante fasi che implicano una significativa riduzione delledimensioni dei frammenti

Campionamento:una tecnica euna scienza

• Il campionamento non è altro che una riduzione di massa ottenutacon mezzi opportuni, in maniera da rispettare nel modo migliorepossibile la composizionedel lotto di partenza

• Il campionamento “esatto” non esiste: ogni tipo dicampionamento genera errori che non possono essere ignorati

• La scienza del campionamento non è altro che l’analisi teoricadegli errori legati al campionamento

• L’unica differenza nell’applicazione tra solidi e fluidi è un fattore discala (nel primo caso sono coinvolti elementi delle dimensioni dimm o μm, nel secondo di Å)

Notaamargine

• Risultati di letteratura e l’esperienza pratica mostranocome il contributo all’errore totale da parte delcampionamento sia molto spesso significativamentemaggiore di quello dovuto all’analisi chimica.

• Pierre Gy riporta casi di errore sistematico legato alcampionamento primario pari addirittura al 1000% (50%nel caso dell’errore di campionamento secondario).

• Per confronto, spesso l’errore sistematico analitico siattesta tra lo 0.1% e l’1%

Misurechimicheederrori


Misure ed errori• Scopo di un’analisi chimica è di ottenere un risultato quanto più

possibile vicinoal valore vero della grandezza damisurare.• La qualità del risultato finale ottenuto dipende strettamente

dall’impatto delle diverse fonti di errore sul metodo.• Nessuna misura è esente da errori:

– ERRORE CASUALE: Sempre presente. Può essere positivo o negativo e la suaentità non può essere predetta a priori. Ha come effetto che si ottenganorisultati differenti per quella che dovrebbe essere la stessa misura. Puòessere stimato facendomisure ripetute e ridottomediandopiùmisure.

– ERRORE SISTEMATICO: Non è detto che sia presente. Ha sempre lo stessosegno e può essere un valore costante (additivo) o proporzionale al valorevero della grandezza damisurare. Può essere corretto a posteriori.

Caratterizzare i risultati diuna serie dimisure• Supponiamo di aver fatto 5 misure della concentrazione di Fe2+ in

un campione e aver trovato:– 11.3%, 11.5%, 11.2%, 11.7%, 11.4%

11.2 11.3 11.4 11.5 11.6 11.7%Fe2+

-0.15

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

• Unmododicaratterizzarelemisureottenuteèquellodiassumerecheessesianodisperseattornoadunvalorecentrale(media),cherappresentilamigliorestimadelvaloreverodellaconcentrazionedell’analita diinteresse

11.2 11.3 11.4 11.5 11.6 11.7%Fe2+

-0.15

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

�̅� =∑ 𝑥%&'(𝑁

�̅� = 11.42

Caratterizzare i risultati diuna serie dimisure -2• Insieme ad un indice di “centralità”, c’è bisogno di definire la

dispersione dei dati, per caratterizzare la variabilità che ci si possaaspettare nei risultati:– RANGE: 𝑟 = 𝑥/01 − 𝑥/&3 fornisce informazioni sulla variabilità totale ma non

sulla distribuzione delle singolemisure.

– DEVIAZIONE STANDARD: 𝑠 = ∑ 151̅67

89:%5( è direttamente associabile ad una

distribuzionee permette di fare considerazioniprobabilistiche.

Distribuzione: associareaciascunvalorechepuòassumerelagrandezzaunnumerochequantifichiilnostrogradodifiducia sullasuarealizzazione.

Distribuzioni statisticheGAUSSIANA(NORMALE) tdiSTUDENT

>40/50misure

Distribuzioni statistiche:esprimere il risultato

𝑡 =𝑥 − �̅�𝑠 𝑁⁄

5 misure(4gdl)

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5t

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

f(t)

-1.19≤ t≤ 1.19 (70%)

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5t

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

f(t)

-2.13≤ t≤ 2.13 (90%)

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5t

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

f(t)

-2.78≤ t≤ 2.78 (90%)

Ingenerale:

�̅� − 𝑡=,?𝑠𝑁≤ 𝑥 ≤ �̅� + 𝑡=,?

𝑠𝑁

𝜈:gradidilibertà(N-1)𝛼:livellodiconfidenza

Valutare labontà delrisultato• ESATTEZZA: Concordanza tra il valore medio di una serie di misure

ripetute in condizioni stipulate ed “un” valore vero del misurando– Inversamente correlata alla presenza di errore sistematico

• PRECISIONE: Concordanza tra una serie di misure della stessaquantità effettuate in condizioni stipulate– Stesso analista, stesso laboratorio, stessa strumentazione (quando

applicabile), stesso giorno (ripetibilità)– Stesso analista, stesso laboratorio, stessa strumentazione (quando

applicabile), giorni differenti (ripetibilità intermedia)– Almeno un elemento differente tra analista, laboratorio, strumentazione

(riproducibilità)

– Inversamente correlata all’entità dell’errore casuale

Valutare labontà delrisultato

Principidellereazioniinsoluzione


Lachimica delle soluzioni• Lamaggior parte delle reazioni della chimica analitica quantitativa ha

luogo in soluzione.• In genere, il solvente è l’acquama può essere anche altro.• È quindi necessario conoscere bene i fattori che influenzino le

reazioni in soluzione:– Equilibriochimico– Cinetica– Legge di azione di massa– Natura del solvente– Dissociazione elettrolitica– Solubilità– Effetto dello ione a comune– Forza ionica

Equilibrio chimico• Tutte le reazioni reversibili, dopo un tempo sufficiente, raggiungono

uno stato di equilibrio chimico la composizione della miscelarimane costante.

• Equilibrio dinamico: le reazioni diretta e inversa procedono allastessa velocità

𝑏𝐵 + 𝑐𝐶 ↔ 𝑑𝐷+ 𝑒𝐸

𝐾 =𝑎OP𝑎QR

𝑎ST𝑎UVCostantetermodinamica

Costanteatemperaturacostante𝑎& :attivitàdeireagentiedeiprodotti

Equilibrio chimico:costante diconcentrazione

• In soluzione, l’attività può essere correlata alla concentrazioneattraverso il coefficiente di attività 𝛾.

• In soluzioni diluite, il coefficiente di attività 𝛾 può essere calcolatoattraverso la legge di Debye-Huckel:

𝐾 = 0XY0Z

[

0\]0^

_= =`XY

Z̀[

`\]`̂_

O XY Q Z

[

S \] U ^

_

ln 𝛾& = −𝐴𝑧&e 𝜇 𝜇 =12g 𝐶&𝑧&

e

&Forzaionica

• A forza ionica (e temperatura) costante, è possibile di definire unacostante di concentrazione:

𝐾U =𝐷 OP 𝐸 QR

𝐵 ST 𝐶 UV

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