Chimica analitica

Cos'è la chimica analitica?

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.

Esempi di analisi chimica

• Le concentrazioni di ossigeno e di biossido di carbonio vengono determinate ogni giorno in milioni di campioni di sangue e usate per diagnosticare e curare le malattie.
• Le quantità di idrocarburi, ossidi di azoto e monossido di carbonio presenti nei gas di scarico dei mezzi di trasporto vengono misurate per valutare l'efficacia dei dispositivi di controllo dello smog.
• Le misure quantitative dello ione calcio nel siero di sangue sono di aiuto per la diagnosi della paratiroide nell'uomo.
• La determinazione quantitativa dell'azoto negli alimenti serve a stabilire il loro contenuto proteico e, quindi, il loro valore nutritivo.
• L'analisi dell'acciaio durante la sua produzione permette di regolare le concentrazioni di elementi quali carbonio, nichel e cromo per ottenere forza, durezza, resistenza alla corrosione e duttilità desiderate.
• Il contenuto di mercaptano delle forniture di gas domestico viene continuamente monitorato per garantire che il gas abbia un odore sufficientemente sgradevole da essere percepito in caso di fughe.

Glossario

• Analiti: componenti di un campione che devono essere determinati.
• Materiale eterogeneo: un materiale è eterogeneo se le sue parti costituenti possono essere distinguibili ad occhio nudo o con il supporto di un microscopio. Carbone, tessuto animale e suolo sono materiali eterogenei.
• Saggio: è il processo che permette la determinazione della quantità di materiale di un dato campione. Per esempio, una lega di zinco è saggiata per il suo contenuto di zinco e il suo saggio è un particolare valore numerico.
• Analisi e determinazione: un chimico analitico analizza i campioni e determina le sostanze costituenti.
• Replicati: 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.
• Interferenza: o un interferente, è una specie che in un'analisi determina un errore aumentando o attenuando (rendendo più piccola) la quantità da misurare.
• Matrice: o matrice del campione, è costituita da tutti i componenti del campione contenenti un analita.
• Bianco: è una soluzione che contiene il solvente e tutti i reagenti utilizzati nell'analisi.
• Calibrazione: è il processo per determinare la proporzionalità tra la concentrazione dell'analita e la quantità misurata.
• Dispersione: o range, differenza tra il valore più grande e quello più piccolo dell’insieme dei dati descrive la precisione dei risultati.

Misure chimiche

Come tutte le scienze, anche la chimica ha bisogno di misurare delle grandezze e, per questo, si utilizzano sette grandezze fondamentali del Sistema Internazionale delle Unità (S.I.): la massa, la lunghezza, il tempo, la temperatura, la quantità di sostanza, l'intensità di corrente elettrica, l'intensità luminosa. Ovviamente, esistono anche altre grandezze, chiamate grandezze derivate, le cui unità di misura si ricavano da quelle delle grandezze fondamentali (area, volume, velocità).

Massa e peso

La massa è una misura invariabile della quantità di materia in un oggetto. Il peso è la forza di attrazione gravitazionale tra un oggetto e la Terra. Il peso e la massa sono correlati dall’espressione: p = mg, dove g è la costante di gravitazione universale.

Espressioni della concentrazione chimica

Soluzione: miscela omogenea di due o più sostanze.

Soluto: specie in quantità minore.

Solvente: specie in quantità maggiore.

Concentrazione: quantità di soluto in un dato volume o massa di soluzione o di solvente.

Il concetto di mole

Contare gli atomi è molto difficile perché essi sono piccolissimi. Tuttavia, spesso è necessario conoscere il numero di atomi presenti in una determinata quantità (massa) di materia. Ad esempio, i fluidi intravenosi che vengono somministrati ai pazienti direttamente in vena sono soluzioni saline che devono avere un numero specifico di ioni Na⁺ e Cl^- per litro di fluido. Quando si contano numeri grandi di oggetti, spesso si utilizzano unità quali la dozzina per organizzare il conto e mantenere i numeri più maneggevoli. La dozzina del chimico è la mole (mol).

Una mole è la quantità di materiale che contiene 6.02214 × 10²³ particelle. Questo numero è chiamato Numero di Avogadro (1810).

• 1 mol = 6.02214 × 10²³ particelle.

Il concetto di mole si può applicare a qualsiasi cosa: 1 mole di biglie contiene 6.02214 × 10²³ biglie. Una mole di atomi, ioni o molecole dà luogo ad una quantità di materiale di dimensioni ordinarie.

Esempio: 1 cucchiaino di acqua contiene circa 1 mole di molecole di acqua.

• 1 mol = 6.02214 × 10²³ particelle.

Da dove nasce il valore di una mole cioè il Numero di Avogadro? Il valore di una mole è uguale al numero di atomi che sono presenti in esattamente 12 grammi di 12C puro. 12 g C = 1 mol di atomi di C = 6.02214 × 10²³ atomi di C. La definizione di mole fornisce una relazione tra la massa (grammi di carbonio) ed il numero di atomi (Numero di Avogadro). La massa di 1 mol di atomi di un elemento è chiamata: massa molare o peso molare. La massa molare di un elemento in g/mol è numericamente uguale al peso atomico dell’elemento in unità di massa atomica. Per esempio, il rame (Cu) ha un P.A. di 63.55 uma ed una massa molare di 63.55 g/mol. Una mole di atomi di rame dunque contiene 6.02214 × 10²³ atomi di rame e pesa 63.55 g.

Massa (g) ↔ Massa molare (g/mol) ↔ Moli (mol) ↔ Numero di atomi

Unità derivate

• Volume
• Densità: La densità (d) di una sostanza è il rapporto tra la sua massa (m) e il suo volume (V). d = m/V

È una proprietà fisica caratteristica della materia e differisce da una sostanza all’altra. È inoltre una proprietà intensiva e si misura usualmente in g/cm³ o in g/mL.

Gravità specifica

È il rapporto tra la massa di una sostanza e la massa di un uguale volume d’acqua. È un numero adimensionato. È chiamata anche peso specifico e a volte è definito come rapporto tra la densità di una sostanza e la densità dell’acqua. Poiché (a temperatura e pressione standard) l'acqua ha una densità di 1 grammo/cm³, e poiché tutte le unità si annullano, la gravità specifica è solitamente molto vicina allo stesso valore della densità (ma senza unità).

Video JoVE

• https://www.jove.com/v/10205/sample-preparation-for-analytical-characterization
• https://www.jove.com/v/10078/solutions-and-concentration

Metodi di 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.

• Metodi gravimetrici: determinano la massa dell'analita.
• Metodi volumetrici: viene misurato il volume di una soluzione contenente reagente sufficiente a reagire completamente con l'analita.
• Metodi elettroanalitici: implicano la misura di proprietà elettriche quali il potenziale, la corrente, la resistenza e la quantità di carica elettrica.
• 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.

Fasi di un'analisi chimica quantitativa

Ci sono numerosi percorsi possibili tra le diverse fasi in un’analisi quantitativa. L’esempio più semplice è quello rappresentato dal percorso centrale verticale in questo diagramma di flusso. 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. Una delle prime considerazioni nella scelta del metodo di analisi è il livello di accuratezza richiesto. Elevata attendibilità grande investimento di tempo. Il metodo che viene scelto di solito è frutto di un compromesso tra l'accuratezza richiesta e il tempo e il denaro disponibile per l’analisi. 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, difficile se la massa è grande e eterogenea. Il campionamento è il processo di raccolta di una piccola massa del materiale la cui composizione rappresenta accuratamente la massa del materiale da campionare, richiede un'attenta e sistematica manipolazione dell'intero carico. A volte, prima della fase di misura, è necessario procedere ad un trattamento (preparazione) del campione.

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. Problemi: assorbimento o desorbimento di acqua, a seconda dell'umidità dell'ambiente.

Campione liquido: se lasciati in contenitori aperti, il solvente può evaporare e cambiare la concentrazione dell'analita. Se l'analita è un gas disciolto in un liquido, come ad esempio l’ossigeno nel sangue, il contenitore del campione deve essere posto all'interno di un secondo contenitore sigillato, per prevenire la contaminazione da parte dei gas atmosferici durante l'intero processo analitico.

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 maggior parte delle analisi chimiche viene eseguita su campioni replicati le cui masse o volumi sono stati determinati da misure accurate. 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 presenti nel campione che possono interferire con la misura (interferenti). Solo poche proprietà fisiche o chimiche, analiticamente importanti, sono esclusive di una singola specie chimica. Al contrario, le reazioni usate e le proprietà misurate sono caratteristiche di un gruppo di elementi o di composti. Bisogna escogitare uno schema per isolare l'analita dalle interferenze prima che venga eseguita la misura finale. 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. Con poche eccezioni, i metodi analitici richiedono la determinazione empirica di k con standard chimici per i quali c sia noto. Il processo di determinazione di k costituisce perciò una fase importante nella maggior parte delle analisi ed è chiamata calibrazione.

Curva di calibrazione

Costruzione e uso di una curva di calibrazione per determinare la concentrazione di arsenico. L’assorbanza delle soluzioni nelle cuvette viene misurata usando uno spettrofotometro e i valori di assorbanza vengono riportati in grafico sull’asse y in funzione delle concentrazioni delle soluzioni nelle cuvette. Infine, le concentrazioni delle soluzioni incognite vengono lette dal grafico (frecce nere).

Misura, calcolo dei risultati e attendibilità

Le quantità che si possono misurare in chimica analitica sono numerosissime: ad esempio la misura del potenziale delle celle elettrochimiche in assenza di passaggio di corrente. Se si è proceduto con accuratezza negli step precedenti la misura è attendibile e il calcolo dei risultati preciso. 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.

Gli attori della chimica analitica

• Prodotti chimici
• Strumentazione (quale e come si usa)
• Regole

Prodotti chimici

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.

Alcune ditte fornitrici indicano sull'etichetta dei loro prodotti i limiti massimi di impurità consentiti dalle specifiche dell’ACS.

• Grado standard primario: è richiesta una straordinaria purezza.
• Reagenti chimici per fini speciali: ad esempio i solventi per la spettrofotometria e la cromatografia liquida ad alta prestazione.
• Grado reagente: una bottiglia di un prodotto chimico di grado reagente appena aperta può, di solito, essere adoperata con tranquillità; non si può dire lo stesso se invece essa è mezza vuota e magari non è stata conservata bene.

Di fondamentale importanza in un laboratorio dove si utilizzano prodotti chimici è il rispetto delle norme di sicurezza. Raccomandazioni pratiche da rispettare in laboratorio:

• Scegliete il grado migliore di prodotto chimico disponibile per il lavoro analitico.
• Ogni volta che è possibile, prendete la bottiglia più piccola che vi potrà fornire la quantità desiderata.
• Rimettete il tappo ad ogni contenitore immediatamente dopo la rimozione del reagente; tenete i tappi delle bottiglie di reagente tra le dita; non poggiate mai un tappo sopra un banco.
• A meno che non sia indicato altrimenti, non inserite mai spatole, cucchiai o coltelli in una bottiglia contenente un prodotto chimico solido.
• Agitate energicamente la bottiglia tappata oppure battetela delicatamente contro un tavolo di legno per rompere eventuali incrostazioni; quindi versate la quantità desiderata.
• A meno che non sia specificatamente indicato altrimenti, non reinserite mai nella bottiglia un eventuale eccesso di reagente (rischio contaminazione).
• Mantenete puliti la mensola per i reagenti e la bilancia di laboratorio. Ripulite immediatamente ciò che si è eventualmente versato.
• Attenetevi alle regole locali riguardanti l'eliminazione dei reagenti e delle soluzioni in eccesso.

Di solito un'analisi chimica viene eseguita in duplicato o in triplicato. Pertanto, ogni recipiente contenente un campione deve essere marcato in modo che il suo contenuto possa essere identificato con precisione. Le beute, i beaker ed alcuni crogioli possiedono piccole zone incise sulle quali si possono fare a matita contrassegni semipermanenti.

Strumentazione

Bilance: 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 (bilance tecniche).

• 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.
• 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.
• Bilancia semimicroanalitica: ha una capacità massima che va da 10 a 30 g ed una precisione di 0,01 mg.