Analisi dei medicinali 1 - parte 3 di 5

Lezione 28 marzo 2023

Con la lezione di oggi inizieremo a vedere dei metodi strumentali e in particolare i metodi elettroanalitici di cui vedrete degli esempi in laboratorio.

Metodi elettroanalitici significa che durante la misura si va a misurare la variazione di qualche proprietà elettrica, o della soluzione o all’interfase.

Come vedete da questo schema i metodi elettroanalitici si dividono in:

• Metodi in soluzione in cui si va a misurare la variazione di una proprietà elettrica di una soluzione in funzione di un’aggiunta di titolante. Questi sono i metodi conduttimetrici in cui si misura la variazione della conducibilità elettrica della soluzione e quindi si possono effettuare delle vere e proprie titolazioni di tipo conduttimetrico.
• Metodi all’interfase sono i più diffusi e si va a misurare la variazione di una proprietà elettrica, ma non dell’intera soluzione, ma di quello strato di soluzione che riveste l’elettrodo. I metodi all’interfase si suddividono in:

Metodi statici, la rivelazione delle proprietà elettriche all’interfase viene svolta quando nello circuito o nello strumento non si ha un passaggio di corrente.

Nei metodi dinamici vengono rilevate le proprietà elettriche all’interfase mentre si ha passaggio di corrente. Sono i più numerosi e si può lavorare o mantenendo costante il potenziale (titolazioni amperometriche, elettrogravimetria, voltametria) o si può lavorare mantenendo costante la corrente nel circuito e si possono fare altri metodi elettrogravimetrici o titolazioni di tipo volumetrico.

Voi non userete questi metodi, ma utilizzerete i metodi statici (non passa corrente nello strumento), e quindi effettuerete titolazioni potenziometriche.

Tutti questi metodi elettrochimici di analisi vanno a misurare una variazione di una grandezza elettrica in funzione di un’aggiunta di titolante.

Grandezze elettriche misurabili

Quali sono le grandezze elettriche che si possono andare a misurare?

• Ad esempio, nelle titolazioni potenziometriche si va a misurare la variazione del potenziale di un elettrodo indicatore che, come dice la parola stessa indica, la variazione di potenziale che si hanno all’interfase in funzione dell’aggiunta di titolante.
• Oppure si può misurare la variazione del potenziale di un elettrodo indicatore al quale viene impostata una corrente costante e questo avviene nelle titolazioni potenziometriche a corrente controllata.
• Oppure nelle titolazioni di tipo conduttimetrico si va a misurare la variazione di una resistenza della soluzione.
• Oppure si può misurare la corrente di un elettrodo indicatore che viene mantenuto a potenziale costante, ed è quello che si fa nelle titolazioni di tipo amperometrico.

Nelle misure potenziometriche il potenziale di cella: “se vi ricordate quando abbiamo introdotto le titolazioni redox abbiamo parlato del potenziale di cella; nelle titolazioni potenziometriche si misura il potenziale di cella che dipende dalla concentrazione dell’analita in soluzione”.

In ogni titolazione potenziometrica questo potenziale di cella viene ricavato dal potenziale dell’elettrodo indicatore; il potenziale indicatore viene ricavato dal potenziale di cella – potenziale di riferimento.

L’elettrodo di riferimento ne parleremo più avanti in questa lezione. In ogni titolazione potenziometrica bisogna usare almeno 2 elettrodi: l’elettrodo di riferimento, che fondamentalmente ha un potenziale noto e costante, e l’elettrodo indicatore che invece ci indica la variazione di potenziale che dipende dalla concentrazione di analita.

Abbiamo visto che c’è una rappresentazione stenografica delle celle (l’abbiamo vista nelle reazioni redox, ma vale anche per le titolazioni potenziometriche) in cui avremo la rappresentazione di questa semicella in cui la differenza di potenziale si ha all’interfaccia tra l’elettrodo indicatore e lo strato di soluzione che riveste l’elettrodo e viene indicato con una barretta verticale; mentre il contatto elettrolitico che si ha, per esempio, in questo setto poroso al termine dell’elettrodo di riferimento viene indicato con contatto elettrolitico e quindi non si ha variazione di potenziale, serve solo a mantenere il contatto elettrolitico tra le due soluzioni.

Vantaggi e svantaggi

Le titolazioni potenziometriche rispetto a quelle volumetriche che state effettuando in lab hanno dei vantaggi e degli svantaggi.

Vantaggi:

• Maggiore precisione, accuratezza, sensibilità e maggior grado di riproducibilità.
• Possono essere applicate a tutta una serie di soluzioni colorate e quindi non è possibile utilizzare i normali indicatori cromatici.
• Con un metodo strumentale si vanno a eliminare tutte quelle che sono le valutazioni soggettive.
• Sono importanti per quanto riguarda le titolazioni in solventi non acquosi; nella scorsa lezione abbiamo visto come si sceglie un indicatore cromatico nelle titolazioni non acquose, ma se andiamo a vedere le monografie della Farmacopea, quando è prevista una titolazione in solventi non acquosi per la maggior parte dei casi non è previsto un indicatore cromatico, bensì un metodo potenziometrico per mettere in evidenza il punto finale.

Svantaggi:

• La strumentazione è molto più costosa della vetreria.
• I tempi sono di almeno un’ora.

Questa è una tabella generale che tiene conto sia dei metodi gravimetrici, volumetrici e strumentali.

La precisione può essere superiore in un metodo volumetrico classico rispetto al potenziometrico, però c’è una maggiore selettività; la velocità è sicuramente alta. Per il costo è basso rispetto a metodi spettroscopici ed elettroanalitici che hanno bisogno di strumenti molto più costosi.

Funzionamento del potenziometro

Vediamo come funziona un potenziometro.

Qui abbiamo due semicelle: una semicella (sx) in cui abbiamo una lamina di zinco immersa in una soluzione di cloruro di zinco e l’altra semicella (dx) in cui abbiamo una lamina di rame metallico immersa in una soluzione di solfato di rame.

Queste due semicelle sono congiunte da un ponte salino che consente il contatto elettrolitico (non mescolamento) tra le due soluzioni; le due lamine di Zinco e Rame sono collegate tra di loro da un circuito elettrico dove si ha una resistenza (A--B) e collegata a questa resistenza c’è un contatto elettrico strisciante, ossia il collegamento alla lamina di rame avviene attraverso il contatto C che può essere spostato in qualsiasi posizione da B ad A.

Interposto tra questo contatto elettrico strisciante e la lamina di rame c’è un galvanometro (G) che va a segnare il passaggio di corrente.

In questo circuito collegato all’elettrodo di zinco c’è un interruttore che può essere aperto o chiuso. Quando è aperto non passa la corrente, quando è chiuso mette in comunicazione i due elettrodi.

È inserita anche una batteria che serve quando si esauriscono le celle per fornire energia esterna al sistema (AB).

Se andiamo a indicare in maniera stenografica questo sistema avremmo l’elettrodo negativo (sx) contatto elettrolitico tra Zinco e cloruro di zinco, ponte salino, soluzione di solfato di rame a contatto con la lamina di rame che è l’elettrodo positivo (dx).

Contatto elettrico strisciante

Cosa succede se si sposta il contatto elettrico strisciante?

Qua non ci sono disegnate le due semicelle.

Se io sposto opportunamente questo contatto elettrico strisciante, la resistenza che si ha AC può essere maggiore o minore della resistenza della cella; questo a noi non importa perché quello che noi andiamo a misurare non è la resistenza, ma la resistenza va a controllare il potenziale.

È importante andare a verificare se il potenziale del tratto AC è uguale, inferiore o superiore al potenziale della cella.

• Se il potenziale di AC è inferiore a quello del potenziale di cella si ha quello che si ha in una cella galvanica e quindi si ha passaggio di corrente.
• Se il potenziale AC è superiore al potenziale di cella si ha una cella elettrolitica e quindi consumo di corrente che deve essere fornito dalla batteria.
• Se il potenziale del tratto AC è uguale al potenziale di cella non si ha passaggio di corrente.

Nelle titolazioni potenziometriche si deve variare continuamente, durante la misurazione, il tratto della lunghezza AC in modo che non si abbia passaggio di corrente e che il galvanometro o voltmetro segni 0, perché abbiamo detto che è un metodo statico.

Andiamo a vedere a che cosa sono uguali questi potenziali. Supponiamo che la pila AB generi una corrente di intensità i; come avete studiato in fisica, il potenziale del tratto AB sarà uguale all’intensità di corrente i x il valore della resistenza AB.

Analogamente il potenziale del tratto AC sarà uguale all’intensità di corrente (che è uguale) x la resistenza AC.

Queste due relazioni possiamo dividerle una per l’altra e avremo il rapporto tra il potenziale AB e AC sarà uguale alla resistenza AB / la resistenza AC (togliamo la corrente dall’equazione che è sempre uguale).

Il valore del potenziale del tratto AC sarà dato (resistenza AC/ resistenza AB) x potenziale AB.

Il potenziale AB si calcola quando il contatto strisciante C coincide con il punto B.

Se il contatto strisciante è collegato nel punto A noi abbiamo una cella galvanica, se è collegato nel punto B abbiamo la cella elettrolitica, in tutti i punti intermedi dobbiamo spostarci per avere potenziale 0.

Uno strumento costruito in questa maniera ha un’accuratezza massima di un centesimo di volt (0,01 V) che è l’accuratezza necessaria durante le varie titolazioni di tipo potenziometrico in cui si hanno differenze di potenziale che variano tra 0 e 1,5 V.

Esistono degli strumenti più precisi in cui oltre la resistenza AB è inserita un’altra resistenza variabile con un contatto strisciante ed è inserita dalla parte dell’elettrodo di zinco, una cella standard che ha un potenziale noto ed estremamente riproducibile. Strumenti di questo tipo hanno una precisione maggiore proprio perché è possibile una sorta di taratura interna allo strumento. Inserendo la seconda resistenza abbiamo che la resistenza del tratto AC è data da K che è una costante del tratto AC e la resistenza AB è data da K x il tratto AB.

Questo consente di ragionare non più in termini di potenziale, ma in termini di lunghezze delle resistenze e quindi il potenziale AC sarà uguale al potenziale di cella (il potenziale AB) x (lunghezza AC/ lunghezza AB).

Cella di Weston

Che cos’è la cella di riferimento? È una cella di Weston.

Abbiamo un elettrodo costituito da mercurio metallico e solfato di mercurio; l’altra semicella è un’amalgama (soluzioni di altri metalli in mercurio) di cadmio in mercurio e una soluzione satura di solfato di mercurio.

Che reazioni avvengono? Il cadmio che è solubilizzato nel mercurio ha numero di ossidazione 0, cede due moli di elettroni al solfato di mercurio e si ossida a ioni cadmio con numero di ossidazione +2.

Il solfato di mercurio invece si riduce passando da numero di ox +1 per ciascun atomo di mercurio, ne abbiamo 2 quindi il numero di ossidazione sarà +2, acquista due moli di elettroni e si forma mercurio metallico.

Se si opera a temperatura di 25 °C il potenziale della cella di Weston è pari a +1,0186 V.

In realtà questo potenziale è ben poco influenzato dalle variazioni di temperatura, quindi se non si opera a temperature estreme tipo -10 °C e +50 °C questo potenziale non varia. Ecco perché il circuito si può far funzionare collegando l’interruttore o alla cella di Weston, che ha quel potenziale noto e costante, o alla cella di cui dobbiamo andare a misurare il potenziale con una sorta di taratura interna.

Noi conosciamo il potenziale della cella di Weston, il potenziale del tratto AC quando è collegato alla cella di Weston e non conosciamo invece il potenziale di questa cella (non so quale ha indicato) che invece dobbiamo andare a misurare.

Abbiamo detto prima che il potenziale di cella è uguale al potenziale del tratto AC che a sua volta è uguale al potenziale del tratto AB che moltiplica il rapporto tra la lunghezza della resistenza AC quando è collegata questa cella / resistenza AB.

Analogamente possiamo fare lo stesso calcolo quando è collegato alla cella di Weston, quindi il potenziale standard della cella di Weston sarà uguale al potenziale AC quando è collegato lo standard, a sua volta è uguale al potenziale AB che moltiplica il rapporto tra la lunghezza AC (sempre quando è collegata la cella di Weston) e la lunghezza della resistenza AB.

Queste 2 equazioni si possono dividere membro e membro e avremo che il rapporto tra il potenziale di cella e il potenziale della cella di Weston è dato da AC cella/ AB x AB/ AC standard.

Quindi il potenziale di cella sarà uguale al potenziale della cella di Weston (standard) x lunghezza AC quando è collegata alla cella / lunghezza AC quando è collegata alla cella di Weston.

Questo ci consente di effettuare una taratura interna dello strumento.

Questo è il potenziometro che userete voi in lab. (Non ho la slide). Bisogna aspettare tra un’aggiunta di titolante e l’altra per fare in modo che lo strumento si stabilizzi.

Accuratezza delle misure potenziometriche

Perché le misure potenziometriche siano accurate bisogna avere strumenti opportuni:

• La batteria inserita nel circuito deve mantenere un voltaggio costante durante la taratura interna e la misura del potenziale di cella.
• La sensibilità del galvanometro deve essere correlata alla resistenza del circuito; normalmente la resistenza di una cella per misura di pH è inferiore a 100 megaOhm. Qualora la resistenza fosse troppo elevata non si possono effettuare le misure.
• Si possono commettere degli errori derivanti della resistenza AB e della precisione con cui si misura la lunghezza della resistenza AC (spostando il contatto elettrico strisciante).

Maggiore è l’accuratezza con cui si misura AC, maggiore sarà l’accuratezza della misurazione.

Elettrodi di riferimento

Per fare una qualsiasi misura potenziometrica è necessario avere due elettrodi: uno di riferimento (che in genere viene messo a sinistra nella rappresentazione della cella) e uno indicatore (dx).

Tutti gli elettrodi di riferimento devono avere determinate caratteristiche.

• Tutti i componenti dell’elettrodo non devono reagire con le specie chimiche in soluzione, questo è semplice da ottenere perché basta separare l’elettrodo con un opportuno setto poroso in modo che si abbia contatto elettrochimico, ma non rimescolamento delle soluzioni.
• La reazione deve essere ben definita e il sistema deve rispondere in maniera reversibile alle variazioni di temperatura.
• Gli elettrodi di riferimento devono seguire l’equazione di Nernst, ossia ci deve essere una risposta che è regolata dall’equazione di Nernst, alla variazione della concentrazione attiva delle specie che formano l’elettrodo di riferimento.
• La soluzione interna all’elettrodo non deve variare la sua composizione durante le misure.
• La densità di corrente di scambio dell’elettrodo deve essere sufficientemente alta, altrimenti si potrebbe avere che la risposta dell’elettrodo di riferimento è influenzata da altre correnti che si generano durante le misure.

L’elettrodo di riferimento per eccellenza è l’elettrodo a idrogeno che ha potenziale 0 a qualsiasi temperatura, ma non si può usare perché gli elettrodi di riferimento devono essere facilmente costruibili e maneggiabili.

Fa un discorso sui serbatoi dello shuttle.

Quindi si usano elettrodi di riferimento che non hanno potenziale 0, ma noto e costante.

L’elettrodo più usato è l’elettrodo a calomelano; il calomelano è il cloruro mercuroso Hg2Cl2.

L’elettrodo a calomelano è costituito da un metallo con stato di ossidazione 0, quindi mercurio metallico, in presenza di una soluzione satura di un suo sale poco solubile (il calomelano è molto più insolubile del cloruro d’argento) e poi il tutto è immerso in una soluzione satura di cloruro di potassio KCl.

Questi sono i componenti dell’elettrodo.

“Qua si ha il contatto elettrochimico (penso stia indicando il piccolo foro) ed è indicato da questa barra verticale; questo è il setto poroso che si ha all’estremità inferiore dell’elettrodo che mette in comunicazione l’elettrodo con la soluzione nel quale è immerso senza che si abbia il rimescolamento della soluzione interna dell’elettrodo. Il tutto è associato a un cavo elettrico che lo collega a un potenziometro”.

Che reazione avviene all’elettrodo? Il calomelano in cui ciascun atomo di mercurio ha numero di ossidazione +1 quindi in totale +2 (2 atomi di mercurio) si riduce a mercurio metallico acquistando 2 moli di elettroni per mole. Il potenziale di questo elettrodo è pari a E= +0,2676 V.

Lo svantaggio di questo elettrodo è che non si può usare a temperature elevate perché il mercurio varia di volume molto facilmente con variazioni di temperatura (termometri con il mercurio).

Il vantaggio è che gli ioni mercurici che derivano dalla dissociazione del calomelano sono ioni poco reattivi nei confronti di specie che possono essere contenuti nella specie in esame.

Noi siamo sicuri che in seguito alla variazione della concentrazione delle specie in soluzione non si abbia variazione del potenziale dell’elettrodo di riferimento, perché abbiamo una soluzione satura di calomelano, quindi anche se dovesse diminuire la concentrazione ce n’è sempre altro che può ripristinarlo e abbiamo anche un elettrolita che ha una soluzione satura di cloruro di potassio e quindi la sua concentrazione non varia durante una qualsiasi misura.

Un altro elettrodo di riferimento metallico è l’elettrodo Argento, cloruro d’argento.

Questo è costituito da un filo di argento me