Appunti Chimica analitica 2

Indice argomenti

Teoria

• Equilibri di ripartizione
• Cromatografia
  • Cromatografia in fase normale e inversa
  • Teoria dei piatti
  • Teoria cinetica
  • Gascromatografia
    • FID
    • ECD
    • TCD
  • Calibrazioni
    • Esterna
    • Per aggiunte standard
    • Con standard interno
    • Normalizzazione interna
  • Cromatografia liquida (HPLC)
    • A coppia ionica
    • Ionica
    • Esclusione ionica (HPICE)
    • Con fluido supercritico (SFC: non fa parte delle HPLC)
• Pretrattamento del campione
  • Digestione per via umida
  • Estrazione con Soxhlet
  • Estrazione accelerata con solvente (ASE)
  • Estrazione in fase supercritica (SFE)
  • Estrazione in fase solida (SPE)
  • Microestrazione in fase solida (SPME)
  • Purge and trap
  • Liofilizzazione
• Spettroscopia molecolare
  • Introduzione teorica
  • Legge di Lambert-Beer
    • Determinazione quantitativa di una miscela di 2 o più componenti
    • Determinazione della costante di equilibrio di un indicatore
  • In assorbimento
    • Strumentazione: spettrofotometro
      • A raggio singolo
      • A doppio raggio
      • Sorgenti
      • Selettori di lunghezza d’onda
      • Celle di misura
      • Rivelatori
  • In emissione
    • Fluorescenza
• Spettroscopia atomica
  • In assorbimento
    • FAAS
    • ETAAS
    • Con vapori freddi
    • Idruri volatili
  • In emissione
    • Plasma
  • Spettrometria ICP-MS
• Spettrometria di massa
  • Strumentazione
    • Sorgenti di ioni
    • Analizzatori
    • Rivelatori
  • Spettrometria di massa a pressione diversa da 0 (ESI)
• Tecniche elettroanalitiche
  • Misure potenziometriche
  • Misure conduttimetriche
  • Misure amperometriche

Laboratorio

• Cromatografia ionica: analisi ioni acqua
• Analisi elettrochimica: determinazione fluoruro nel dentifricio
• Spettroscopia UV-Vis: analisi del fosfato nella CocaCola
• Assorbimento atomico: analisi zinco nei capelli
• ICP: analisi metalli in capelli, acqua potabile, campione incognito
• Cromatografia liquida: analisi caffeina nel caffè
• Gas cromatografia: analisi acidi grassi nell’olio

Statistica

• Calibrazione, regressione lineare e misura nei metodi strumentali
• Calcolo dell’incertezza nelle misure
• Test statistici
• Limite di rivelabilità

Equilibri di ripartizione

Gli equilibri di ripartizione si instaurano quando due fasi vengono a contatto. In questo caso si considera una fase acquosa a contatto con una fase non acquosa, come un solvente organico. I due solventi si considerano completamente immiscibili. L’instaurazione di un equilibrio permette l’estrazione di una sostanza da una fase ad un'altra per affinità della stessa verso una delle due. La sostanza che si ripartisce può essere identificata attraverso il coefficiente di ripartizione P.

P = [A] / [A]₂ 1

P è una costante di equilibrio: è specifica per ogni sostanza. All’equilibrio, le due fasi nelle quali il soluto A è ripartito avranno potenziale chimico uguale. Si trova l’equazione riportata sopra e che se i coefficienti di attività sono uguali a 1 (soluzione ideale) allora K=P (K è la costante di equilibrio). Tale equazione vale solo se il soluto si trova nella stessa forma in entrambe le fasi. Nelle fasi, però, posso avere degli equilibri interni, oltre a quello di ripartizione tra le due fasi (es. equilibri acido-base). Per questo si preferisce usare il rapporto di distribuzione

D = tutte le specie in fase 2 / tutte le specie in fase 1

Questo rapporto rappresenta la totalità delle soluzioni, considerando tutte le specie presente all’equilibrio nelle due fasi. Nel caso in cui non ci siano equilibri interni oltre a quello di ripartizione, D=P.

Si trattano ora una serie di equilibri possibili oltre a quello di ripartizione.

Dimerizzazione in fase organica

2A <--> A₂ o

La dimerizzazione avviene quando una molecola presenta un gruppo non affine alla fase e dunque si combina con un'altra per essere più solubile (es. gruppo -COOH crea ponte a idrogeno con altro o 2-COOH in fase organica).

D = ([A] + 2[A]₂ o) / [A] , K = [A] / [A] o₂ o aq₂ o

Dal bilancio di massa della specie A, infatti, si deduce che essa è sotto forma di molecola "singola" e sotto forma di dimero: per fare un dimero, però, servono due molecole singole A e quindi per ogni molecola di dimero avremo 2 molecole singole di A. D rappresenta la capacità estraente. Se la soluzione estraente è quella organica, allora più alto è D più l'estrazione è efficiente.

Ricavando [A]₂ o dalla K e sostituendo in D si ottiene l'equazione di una retta in un grafico D vs. [A] : 2 o aq₂ D = P + 2KP [A] . Assumo P=1, anche se chimicamente non corretto perché acqua e solvente aq organico non hanno stesso potere solvatante. Ne risulta un grafico dove al variare della K abbiamo rette con pendenza diversa ma tutte passanti per D=1 (ma è un punto di discontinuità, quindi, vale 0 quando il soluto è presente solo in fase organica). All'aumentare di K in particolare la pendenza aumenta: ciò significa che più è veloce la dimerizzazione, più è efficace l'estrazione perché ho più soluto in fase organica. Per velocizzare la dimerizzazione si può abbassare la temperatura così l'entropia diminuisce. Questo metodo è indipendente dalle concentrazioni di analita visto che uso le costanti.

Si può anche derivare la dipendenza di D dalla concentrazione analitica di A. Si considera il bilancio di massa di A, lo si ricava in funzione di A in fase acquosa e si risolve la quadratica. Costruisco un grafico D vs. C con P=1. Anche in questo caso D aumenta con K. A C = 0, D=1: punto di A A discontinuità.

Dissociazione acido debole in fase acquosa

HA <--> H⁺ + A^-

Essendo la seconda fase organica, le specie cariche non potranno mai migrare verso essa. Dunque, l’equilibrio di ripartizione è associato alla sola specie neutra HA. D = [HA] / ([A]^- + [H]⁺]) o - + Ricavando [A]^- dalla Ka e sostituendo nella D trovo che D= P/(1+Ka/[H]⁺). In unità logaritmiche + + l'equazione diventa: logD= logP - log(1+Ka/[H]⁺). Assumo P=1, quindi: logD= - log(1+Ka/[H]⁺). + + Quando il pH è << pKa ([H]⁺-->infinito), allora logD≈0. Quando pH >> pKa ([H]⁺-->0), allora + logD≈-log (Ka/[H]⁺). In un grafico logaritmico logD vs. pH, 0,3 UL prima della pKa D=0 per ogni pH, mentre da 0,3 UL in poi la curva scenderà con pendenza 1. Quando [H]⁺=pKa, logD=-0,3. Sapendo che l'estrazione è migliore a valori alti di D, è meglio operare a pH << pKa così l'acido sarà quasi completamente indissociato e potrà potenzialmente passare tutto in fase organica; se fosse dissociato non avrei possibilità estrattiva dal momento che le specie cariche non potrebbero migrare in fase organica. Inoltre, la capacità estrattiva di una soluzione organica aumenta (è possibile in un range di pH più grande) più alta è la pKa dell'acido, ovvero più è debole.

È possibile anche separare acidi a forza diversa operando sul pH. Infatti, partendo da pH alti e gradualmente abbassando il pH in corrispondenza delle diverse pKa posso estrarre prima gli acidi più deboli e infine quelli più forti, che saranno indissociati a pH più bassi.

Dimerizzazione e dissociazione dell'acido benzoico

2(HB) <--> (HB)₂ (HB) <--> H⁺ + B^- o 2 aq

In questo caso, oltre all'equilibrio di ripartizione, ho un equilibrio di dimerizzazione in fase organica - e uno acido base in fase acquosa. Ricavando [B]^- dalla K e [(HB)] dalla K e sostituendole in D, aq a 2 o d + ricavo una quadratica in cui D è funzione di [HB] e di [H]⁺. Si può poi ottenere D in funzione dellaaqconcentrazione analitica di HB e dal pH dal bilancio di materia. In un grafico logD vs. pH, si ha che per valori di pH maggiori di 9, a diversi valori di K, le curve risultano sovrapposte; questo significa D che l'aspetto acido-base prevale sulla dimerizzazione. All'aumentare di K, e a pH minori di 9, la D capacità estrattiva D aumenta. Se la dimerizzazione è bassa, la curva si riduce al caso di solo acido debole che dissocia in fase acquosa. Se la K invece è molto alta posso lavorare anche a pH D sfavorevoli (basici) perché la dimerizzazione sarà molto più favorita della dissociazione dell'acido in fase acquosa.

Dissociazione acido diprotico

H₂A <--> HA <--> A^2- D= P/(1+K_a1/[H]⁺ + K_a1K_a2/[H]⁺²) La massima D si ha a pH<<pK₁

Se però l'acido è in forma carica, la specie che verrà estratta in solvente organico sarà quella in HA+ -prima dissociazione: H₂A <--> <--> A^2- + +

In questo caso D = P/([H]⁺/K_a1+1+ K_a2/[H]⁺). La massima D si ha tra le due pK, in particolare a pK_a1 +2<D <pK_a2-2, dove ho quasi solo la specie neutra HA. Inoltre, prima della prima pK l'effetto dell'aumento del pH è favorito perché tendo a formare la specie neutra, mentre dopo la seconda pK l'aumento del pH è sfavorito perché vado contro la formazione di HA. Se le due pK sono troppo vicine, ovvero la differenza è minore di 0,6, non riuscirò mai a raggiungere D_max.

Estrazione complessi chelati

Cu(Dz)₂: CuDz₂ <--> Cu²⁺ + 2Dz^-, HDz <--> H⁺ + Dz^-

HDz è la forma protonata (acido debole, diprotico ma considerabile monoprotico perché la seconda-Ka è molto piccola) del legante ditizone Dz (base di Lewis). Questo legante è utilizzato per l'estrazione di ioni metallici dalla fase acquosa alla fase organica. - 2 - 2logD=logP - log(1+ 1/β[Dz^-]). Dal grafico logD vs. log(β[Dz^-]), considerando P=1, la capacità CuDz₂ -estrattiva D cresce all'aumentare della concentrazione [Dz^-] fino a diventare costante; questo perché l'equilibrio di dissociazione dato da β si sposta verso la specie complessata che può migrare - verso la fase organica. La concentrazione [Dz^-] è esprimibile anche in funzione del pH dalla Ka e dunque a un certo pH della soluzione acquosa avrò una precisa concentrazione di [Dz^-] in soluzione. - Fissato il pH, dunque, riesco a svincolarmi da [Dz^-] e D diventa dipendente solo da β. La dipendenza Dz₂ + 2 è del tipo: D= K_estrazione * C_HDz /[H]⁺². Dunque, pH basici favoriscono l'estrazione dal momento che HDz si dissocia, ho molto Dz^- in soluzione e quindi la formazione del complesso è favorita.

La formazione di complessi con il Dz si fa anche con altri metalli oltre al Cu, come Ag, Pb, Zn e Cd. Se ho tutti i metalli in soluzione, posso operare un'estrazione selettiva di un metallo o selettiva per gruppi di metalli in base al pH. Bisogna stare attenti però a non basificare troppo l'ambiente, altrimenti si rischia di far precipitare i metalli come idrossidi. Nonostante ciò, spesso la costante di complessazione tra OH^- e M è più bassa di quella tra Dz e M e dunque la precipitazione non avviene perché la complessazione è competitiva. Grafico %estrazione vs. pH. La parte più pendente è dove l'estrazione è più efficace perché per una variazione piccola di pH ho una variazione alta di %estratta.

Si tratta ora del calcolo delle frazioni estratte ed inestratte, ovvero dell'efficienza di estrazione, in una soluzione. L'estrazione viene solitamente effettuata operando con piccoli volumi di fase estraente; si può calcolare la frazione estratta ed inestratta con ogni aggiunta di estraente. Indipendentemente dalla concentrazione analitica iniziale, si considera che il soluto venga ripartito 50% nella fase estraente e 50% nella fase da estrarre (P=1). Non è mai possibile estrarre al 100% un analita, ma con un P >>1 è possibile farlo con poche aggiunte di estraente. La frazione molare di analita A rimasta inestratta dalla fase 1 con la prima aggiunta di estraente è:

F_1,1 = [A]_1,1 * V_1,1 / (n_fase1 + n_fase2) = [A]_1,1 * V_1,1 / ([A]_1,1 * V₁ + [A]_2,2 * V₂]), dove V₁ e V₂ sono i volumi delle due fasi estratta ed estraente.

Raccogliendo [A] a denominatore, e sostituendo [A]_2,2 / [A]_1,1 = P si trova: F_1,1 = 1/(1+P*V₂/V₁)ⁿ

Ripetendo in serie il ragionamento si arriva a dire che all'n-esima estrazione F_1,n = 1/(1+P*V₂/V₁)ⁿ. La frazione estratta sarà F_2,n = 1-F_1,n.

Con P=1 e n=10 (10 estrazioni), F_1,10 = 0,385, di poco più bassa rispetto a quella iniziale F_1,1 = 0,5. Dunque, mi conviene operare con poche aliquote ma grandi di estraente. Se P=10, invece, mi conviene operare con tante aliquote ma piccole.

Pretrattamento del campione

È necessario pretrattare il campione da analizzare, perché le tecniche di analisi e le strumentazioni prevedono di averlo in una certa forma e quantità. Il campione deve dunque essere portato nella forma opportuna. La maggioranza delle analisi viene effettuata per via umida, dunque il campione deve essere solubilizzato.

• Digestione per via umida: usata specialmente con specie inorganiche, non organiche perché sono troppo labili. La digestione avviene ponendo il campione finemente suddiviso nei reattivi di solubilizzazione come acido nitrico, acido solforico, acido perclorico, acqua regia, acqua ossigenata. Possono essere usate anche le microonde per scaldare il sistema e favorire la solubilizzazione, dal momento che non alterano i legami molecolari ma vengono assorbite da acidi e acqua e li scaldano riducendo i tempi (bisogna usare contenitore in Teflon trasparente alle microonde).
• Estrazione con Soxhlet: utilizzata per trattamento di campioni solidi. Il campione viene posto all'interno di un ditale permeabile al solvente estraente. Viene fatto bollire il solvente a ricaduta, dunque la sua capacità estraente viene ripetuta più volte estraendo gli analiti con maggiore efficienza rispetto all'imbuto separatore.
• Estrazione accelerata con solvente: classica estrazione con solvente ma a temperature e pressioni più alte (questo mi consente di usare meno solvente).
• Estrazione in fase supercritica: uso fluido supercritico per capacità estraenti, maggiori rispetto a un solvente liquido.
• Estrazione in fase solida: il campione viene fatto passare su supporto solido (silice) e gli analiti vengono trattenuti per adsorbimento. L'analita si preconcentra.
• Microestrazione in fase solida: adatta a campioni solidi, liquidi e gassosi. È una tecnica non distruttiva che si basa sull'equilibrio di ripartizione degli analiti tra matrice originaria e fase di estrazione. Il dispositivo per la microestrazione è costituito da una siringa il cui ago ha all'interno una fibra di silice ricoperta di fase estraente. La fibra viene immersa nella soluzione contenente l'analita, adsorbendolo. La siringa può anche essere inserita direttamente nel GC dove avviene il desorbimento, senza l'utilizzo di un solvente estraente. La fibra, inoltre, può essere utilizzata sia immergendola nella fase liquida sia esponendola al vapore del liquido che si trova direttamente sopra alla soluzione (spazio di testa).
• Purge & trap: un gas inerte viene fatto gorgogliare sul campione e trascina con sé i componenti volatili che vengono poi preconcentrati su supporti adsorbenti o in trappole criogeniche, le quali possono essere purge and trap o spazio di testa. L'analita viene poi desorbito tramite riscaldamento all'interno del GC.
• Liofilizzazione: il campione viene congelato e il solvente viene rimosso per sublimazione sottovuoto. È adatta a campioni non volatili. Il campione non viene decomposto e ottengo dunque un solido friabile e igroscopico. I tempi sono relativamente lunghi.

Calibrazioni

È necessario il confronto del dato sperimentale dell'analita con quello dell'analita standard. Il confronto può avvenire, per esempio, mediante confronto tra le aree dei picchi. I segnali sono acquisiti da dei rivelatori, i quali possono essere di massa (segnale dipende solo dalla massa che arriva al rivelatore di una certa specie) o di concentrazione (segnale dipende dal flusso di fase mobile).

• Calibrazione esterna: è il metodo più semplice e conveniente. Si costruisce un grafico segnale vs. concentrazione analita. I segnali considerati possono essere aree sottese a picchi o altezze dei picchi massimi. Solitamente, è meglio utilizzare le aree, perché sono indipendenti dall'allargamento delle bande, mentre le altezze no. Si costruisce una curva di calibrazione, che può essere una retta, utilizzando delle soluzioni standard a concentrazione crescente di analita in una certa matrice (acqua...), analizzandole con una certa tecnica. Il numero di soluzioni di calibrazione ideale è 7 (7 punti). I punti vengono poi fittati con un certo modello teorico. Si analizza il campione incognito rilevando un certo segnale. Il segnale letto viene inserito nella retta di calibrazione; il valore x corrispondente è la concentrazione del dato analita nel campione. La pendenza della curva di calibrazione corrisponde alla sensibilità della misura. Teoricamente, la curva dovrebbe passare per l'origine (se la concentrazione di analita fosse 0, anche il segnale dovrebbe essere 0) ma questo non accade mai a causa degli errori che si commettono nella creazione degli standard.