Appunti di chimica analitica

Appunti di chimica analitica

Introduzione

In un'analisi chimica sono richieste sia informazioni qualitative che quantitative. L’analisi qualitativa stabilisce l'identità chimica delle specie nel campione. L’analisi quantitativa determina le quantità relative di queste specie o analiti, in termini numerici. Prima di procedere all’analisi quantitativa di un campione è necessario separare le specie chimiche di cui è costituito. L'analisi qualitativa è spesso parte integrante della fase di separazione e la determinazione dell'identità degli analiti costituisce un elemento aggiuntivo essenziale nell'analisi quantitativa.

I risultati di una tipica analisi quantitativa si fondano su due misure: 1) la massa o il volume del campione da analizzare; 2) la misura di una quantità che sia proporzionale alla quantità di analita in quel campione quale la massa, il volume, l'intensità di luce o la carica elettrica. I metodi gravimetrici determinano la massa dell'analita. Nei metodi volumetrici viene misurato il volume di una soluzione contenente reagente sufficiente a reagire completamente con l'analita. I metodi elettroanalitici implicano la misura di proprietà elettriche quali il potenziale, la corrente, la resistenza e la quantità di carica elettrica. I metodi spettroscopici si basano sulla misura della interazione tra una radiazione elettromagnetica e gli atomi o le molecole di analita, oppure sulla produzione di tale radiazione da parte degli analiti.

Ci sono numerosi percorsi possibili tra le diverse fasi in un’analisi quantitativa. Si seleziona un metodo, si acquisisce e si tratta il campione, lo si scioglie in un solvente opportuno, si misura una proprietà dell’analita, si ricavano i risultati e se ne stima l’affidabilità. A seconda della complessità del campione e della scelta del metodo possono essere necessari diversi altri percorsi. Gli analiti sono i componenti di un campione che devono essere determinati.

Un materiale eterogeneo è un materiale che ha le sue parti costituenti che possono essere distinguibili ad occhio nudo o con il supporto di un microscopio. Il saggio è il processo che permette la determinazione della quantità di materiale di un dato campione. Nell’analisi e determinazione un chimico analitico analizza i campioni e determina le sostanze costituenti.

I campioni replicati sono porzioni di un materiale aventi, approssimativamente, la stessa grandezza e che vengono sottoposti ad una procedura analitica nello stesso tempo e nello stesso modo. L’interferenza è una specie che in un'analisi determina un errore aumentando o attenuando la quantità da misurare. Una matrice è costituita da tutti i componenti del campione contenenti un analita. Il bianco è una soluzione che contiene il solvente e tutti i reagenti utilizzati nell'analisi. La calibrazione è il processo per determinare la proporzionalità tra la concentrazione dell'analita e la quantità misurata. La dispersione è la differenza tra il valore più grande e quello più piccolo dell’insieme dei dati.

Quando si acquisisce un campione da analizzare, è importante che la sua composizione rappresenti fedelmente quella della massa del materiale da cui esso è stato prelevato. Il campionamento è il processo di raccolta di una piccola massa del materiale la cui composizione rappresenta accuratamente la massa del materiale da campionare.

Prima della fase di misura è necessario procedere ad un trattamento del campione. Un campione solido deve essere macinato per ridurre la dimensione delle particelle, mescolato per assicurare l'omogeneità e conservato per un tempo variabile prima che l'analisi abbia inizio. Può essere essiccato per evitare assorbimento di acqua. In un campione liquido il solvente può evaporare se lasciato in contenitori aperti e cambiare la concentrazione dell'analita.

Se l'analita è un gas disciolto in un liquido, il contenitore del campione deve essere posto all'interno di un secondo contenitore sigillato. Con un campione in soluzione la maggior parte delle analisi viene eseguita su soluzioni del campione ottenute con un opportuno solvente. Idealmente, il solvente dovrebbe disciogliere l'intero campione includendo l'analita, in modo rapido e completo.

La trasformazione di un analita in una forma solubile è spesso il compito più difficile e più lungo del processo analitico. Il campione può richiedere il riscaldamento con soluzioni acquose di acidi forti, basi forti, agenti ossidanti, agenti riducenti o una combinazione di questi reagenti. La replicazione accresce la qualità dei risultati e fornisce una misura della loro attendibilità.

Le misure quantitative sui replicati vengono mediate e sui risultati vengono eseguiti i vari test statistici per stabilirne l'attendibilità. Una volta che il campione è in soluzione e abbiamo convertito l'analita in una forma appropriata per la misura, la fase successiva consiste nell'eliminare le sostanze interferenti. Tutti i risultati analitici dipendono dalla misura finale X di una proprietà fisica o chimica dell'analita. Questa proprietà deve variare in modo noto e riproducibile con la concentrazione C dell'analita, idealmente in modo direttamente proporzionale alla concentrazione: C = kX.

Il processo di determinazione di K è empirico e usa standard chimici a concentrazione nota per ottenere la calibrazione. Senza una stima della loro attendibilità, i risultati analitici sono incompleti. Lo sperimentatore deve fornire una misura delle incertezze associate ai risultati calcolati affinché i dati abbiano valore.

Un aspetto molto importante per l’accuratezza raggiunta in un'analisi è la purezza dei reagenti. I prodotti chimici di grado reagente sono conformi agli standard minimi stabiliti dalla Commissione sui Reagenti Chimici della Società Chimica Americana (ACS) e vengono usati ovunque sia possibile in un lavoro analitico. I reagenti chimici per fini speciali sono ad esempio i solventi per la spettrofotometria e la cromatografia liquida ad alta prestazione. Quelli grado standard primario hanno una straordinaria purezza.

È fondamentale rispettare le regole di sicurezza. Si sceglie il prodotto chimico migliore, la bottiglia più piccola e si tengono i tappi tra le dita per non contaminarli. In bottiglie contenenti solidi non si introducono generalmente spatole o altri utensili. Si mantengono puliti gli strumenti. Ogni recipiente con un campione deve essere marcato e identificato.

Le bilance e la pesata

Per la misura della massa dei campioni, in genere si deve usare una bilancia analitica per ottenere delle masse molto accurate. Quando le esigenze di attendibilità non sono critiche, per misure di massa si impiegano anche le meno precise bilance di laboratorio. Una bilancia analitica ha una capacità massima compresa tra 1 grammo e diversi chilogrammi ed una precisione alla capacità massima di almeno 1 parte su 10⁵. Una macrobilancia è il tipo più comune di bilancia analitica; essa ha un carico massimo di 160-200 g ed una precisione di 0,1 mg. Una bilancia semimicroanalitica ha una capacità massima che va da 10 a 30 g ed una precisione di 0,01 mg. Una bilancia microanalitica ha un carico massimo da 1 a 3 g ed una precisione di 0,001 mg, o 1 µg.

Prima di effettuare una pesata è indispensabile fare la tara del contenitore. Differenze di temperature portano ad errori causate dalle correnti di convezione all'interno della teca della bilancia che esercitano un effetto di sollevamento sul piatto e sull'oggetto e il peso minore dell’aria calda nel recipiente chiuso. Le bilance ausiliarie a carica dall'alto sono particolarmente convenienti. Una bilancia sensibile a carica dall'alto potrà accogliere da 150 a 200 g con una precisione di circa 1 mg. La massa di molti solidi varia con l'umidità, grazie alla loro tendenza ad assorbirne quantità pesabili.

La prima fase di una tipica analisi implica l'essiccamento del campione in modo che i risultati non vengano influenzati dall'umidità dell'atmosfera circostante. Un campione viene portato a massa costante attraverso un ciclo che implica il riscaldamento ad opportuna temperatura, il raffreddamento e la pesata. I pesafiltri di vetro smerigliato si trovano all’esterno e non sono a contatto con il contenuto del contenitore. Gli oggetti essiccati non vanno contaminati con le dita. L'essiccamento in stufa non è adatto per le sostanze che si decompongono o per quelle dalle quali l'acqua non viene eliminata alla temperatura della stufa. Per minimizzare l'assorbimento di umidità, i materiali essiccati vengono conservati in essiccatori durante il raffreddamento.

La pesata per differenza è un metodo semplice per determinare le masse di una serie di campioni. Si pesa il pesafiltro con il suo contenuto. Si trasferisce quindi il campione dal pesafiltro ad un recipiente senza perdite. Dopo il trasferimento, vengono pesati il pesafiltro ed il suo contenuto residuo. La massa del campione è data dalla differenza tra queste due pesate.

La filtrazione

Sono disponibili diverse tecniche e sistemi di filtrazione e incenerimento dei solidi con minimi errori e contaminazioni. I crogiuoli semplici servono solo da contenitori. Il solido viene prima raccolto su carta da filtro. Il filtro e ciò che contiene vengono trasferiti in un crogiuolo pesato e la carta viene incenerita. I crogiuoli da filtro servono non solo da contenitori ma anche da filtro. Per accelerare la filtrazione si usa il vuoto. Un sigillo ermetico tra il crogiuolo ed il pallone per filtrazione viene realizzato con uno qualsiasi dei diversi tipi di adattatori in gomma.

La carta da filtro è un importante mezzo di filtrazione. Le fasi implicate nella filtrazione di un precipitato analitico sono la decantazione, il lavaggio, e il trasferimento. Nella decantazione viene fatto passare attraverso il filtro quanto più sopranatante liquido possibile, mentre il precipitato solido viene sostanzialmente conservato intatto nel beaker dove si è formato. Questo procedimento accelera la velocità dell'intera filtrazione ritardando il momento in cui i pori del mezzo di filtrazione vengono ostruiti dal precipitato. Terminata la decantazione, si aggiunge nel beaker del liquido di lavaggio che viene mescolato energicamente insieme al precipitato. Si lascia posare il solido, dopo di che anche questo liquido viene decantato attraverso il filtro. Nel trasferimento la massa del precipitato viene spostata dal beaker per essere filtrata mediante flussi direzionati di liquido di lavaggio.

La vetreria

La misura precisa del volume è, per molti metodi analitici, tanto importante quanto la misura precisa della massa. Il volume occupato da una data massa di liquido varia con la temperatura. Beute e beaker sono utilizzati per contenere volumi approssimativi e non possono essere usati per prelevare volumi noti di soluzione. Le misure volumetriche devono riferirsi ad una certa temperatura standard. Questo punto di riferimento è di solito 20°C. La misura attendibile del volume viene eseguita con una pipetta, una buretta, o un pallone volumetrico.

L'attrezzatura volumetrica viene marcata dalla fabbrica per indicare sia il sistema di calibrazione che la temperatura alla quale la calibrazione si riferisce. Pipette e burette sono calibrate, di solito, per liberare volumi specifici, mentre i palloni volumetrici per contenere volumi specifici. La vetreria può essere di Classe A e di Classe B. La vetreria di Classe A viene prodotta alla migliore tolleranza con vetro Pyrex, borosilicato e vetro Kimax. L’errore della classe B è circa il doppio di quella della classe A.

Le pipette consentono il trasferimento di volumi esattamente noti da un recipiente ad un altro. Il liquido viene aspirato all'interno della pipetta attraverso l'applicazione di un leggero vuoto. Le burette consentono all'analista di erogare un qualsiasi volume fino al loro massimo di capacità. La precisione ottenibile con una buretta è sostanzialmente maggiore di quella raggiungibile con una pipetta. La buretta è formata da un tubo graduato per contenere il titolante più un meccanismo a valvola mediante il quale viene controllato il flusso di titolante.

Nel riempimento di una buretta si aggiungono 3-10ml di titolante e si ruota la buretta per inumidirla ripetendo il passaggio almeno 3 volte. Si riempie quindi la buretta e la si libera da bolle d’aria aprendo il rubinetto. Il menisco è la superficie curva di un liquido in corrispondenza della sua interfaccia con l'atmosfera. La parallasse è l'apparente spostamento del livello di un liquido o di un indice, che si ha quando un osservatore cambia posizione. L’aliquota è una frazione misurata del volume di un campione liquido.

I matracci vengono fabbricati con capacità che vanno dai 5 mL ai 5 L e sono di solito tarati per contenere un volume specifico se riempiti fino alla tacca incisa sul collo. Vengono usati per la preparazione di soluzioni standard e per la diluizione di campioni fino ad un volume prefissato prima di prelevare piccole parti con una pipetta. La preparazione diretta di una soluzione standard richiede l'introduzione di una massa nota di soluto in un pallone volumetrico.

Gli errori nelle analisi chimiche

Ogni misura sperimentale è necessariamente accompagnata da alcuni tipi di errore ad esempio errori casuali ed errori sistematici. Per minimizzare l’errore casuale è utile il ricorso alla replica della misura. Effettuando la determinazione della misura di uno stesso campione più volte, il valore centrale dell’insieme delle misure è di solito il più affidabile. La media di due o più valori è la loro media aritmetica. La mediana è invece il valore centrale di un insieme di dati che sono stati ordinati in ordine numerico.

La precisione esprime la riproducibilità dei risultati ottenuti da una serie di misure ripetute dello stesso campione. È descritta dalla deviazione standard, varianza e coefficiente di variazione, funzioni di come x differisce dalla media. L’accuratezza è definita come la concordanza del risultato ottenuto in un’analisi con il valore accettato come vero ed è espressa dall’errore assoluto E=x -x_t dove x_t è il valore vero o dall’errore relativo percentuale E = (x – x_t)/x_t * 100.

Gli errori sistematici hanno un valore definito e una causa identificabile. Influenzano l’accuratezza del risultato. La media del set di dati differisce dal valore accettato. Sono errori di metodo, errori personali o errori strumentali. Gli errori grossolani si presentano accidentalmente e sono prodotto spesso dagli errori umani. Sono responsabili della presenza di dati outliers. Gli errori casuali sono causati da molte variabili incontrollabili di natura chimica o fisica e determinano una dispersione dei dati più o meno simmetrica intorno al valore medio. Gli errori sistematici danno luogo ad un bias nei risultati di misura.

Il bias influenza tutti i dati di un set allo stesso modo e può essere sia positivo che negativo. Gli errori di metodo sono dovuti a un comportamento chimico o fisico non ideale dei sistemi analitici. Per esempio, la lentezza o l’incompletezza di alcune reazioni, o la possibile presenza di reazioni secondarie che interferiscono con il processo di misura. Gli errori personali sono ad esempio la difficoltà a distinguere i colori. Gli errori strumentali sono dati dagli strumenti di misura. Gli errori sistematici possono essere sia costanti che proporzionali.

Con un errore costante il suo effetto diventa più serio al diminuire della grandezza della quantità misurata. Un errore proporzionale aumenta o diminuisce in proporzione alla quantità del campione sottoposto ad analisi. Nel caso degli errori proporzionali, l'errore assoluto varia con la quantità del campione mentre quello relativo rimane costante. È possibile capire se i dati raccolti sono affetti da bias con l’analisi di campioni standard.

Il metodo migliore per stimare il bias di un metodo analitico consiste nell'analisi di materiali standard di riferimento che contengono uno o più analiti a concentrazione nota. Se i campioni standard non sono disponibili, un secondo metodo analitico indipendente e affidabile può essere utilizzato in parallelo con il nuovo metodo analitico che stiamo valutando. Il metodo indipendente dovrebbe differire quanto più è possibile da quello che è oggetto di valutazione. Un bianco contiene i reagenti e i solventi usati in una determinazione ma non l'analita. Spesso, molti dei costituenti del campione vengono aggiunti per simulare l'ambiente in cui si trova l'analita, chiamato matrice del campione. Nella determinazione del bianco tutti i passaggi dell'analisi sono eseguiti sul bianco.

Gli errori casuali non possono essere eliminati del tutto e sono legati a fluttuazioni indefinite di una miriade di parametri sperimentali, quali temperatura, pH, pressione, umidità, punto d’arresto di una titolazione, ecc.

Trattamento dei dati analitici

I passaggi sono: Registrazione accurata dei dati sperimentali e corretta esecuzione dei calcoli. Scelta del valore migliore qualora la stessa determinazione sia stata eseguita più volte. Valutazione dei risultati ottenuti e calcolo dei limiti probabili dell’errore che poi devono essere indicati insieme al risultato. Elaborazione di una strategia per controllare le fonti di errore e migliorare così la qualità delle prestazioni analitiche.

È importante valutare l'affidabilità dei dati sperimentali ogni qual volta si acquisiscano dati di laboratorio poiché i dati di cui non si conosce la qualità sono privi di significato. Un numero finito di osservazioni sperimentali viene definito un campione di dati. Questo è trattato come una frazione di un numero infinito.