Analisi Chimico Farmaceutica e Tossicologica I

Analisi chimico farmaceutica e tossicologica

Il colore

Il colore è una delle proprietà più caratteristiche delle sostanze chimiche a tal punto che alcune di esse vengono riconosciute in base alla colorazione. Ciò è dovuto al fatto che il colore dipende dalla struttura elettronica degli atomi. Una sostanza appare colorata se assorbe una parte dei raggi luminosi assorbendo energia di lunghezza d’onda compresa nella regione del visibile dello spettro luminoso; l’energia assorbita dagli atomi provoca l’eccitazione di essi, ossia gli elettroni dei livelli più esterni “saltano” ad un livello successivo (nota come transazione elettronica). Questo fenomeno dura pochissimo e la particella quando ritorna nello stato fondamentale emette una radiazione con una lunghezza d’onda caratteristica dell’atomo in questione. Inoltre, il colore della sostanza è complementare a quello della radiazione assorbita.

Il colore dei metalli

Quando un metallo viene colpito da un fascio di fotoni, gli atomi possono riflettere o assorbire quest’ultimi. Questi “pacchetti energetici” vengono assorbiti solo se la loro energia è sufficiente a far “promuovere un elettrone”, generalmente appartenente all’orbitale d. Nel caso del Cu, l’energia posseduta dai fotoni della regione del visibile corrisponde alla differenza di energia tra un livello occupato ed uno vuoto, per questo motivo i fotoni quando colpiscono questo metallo vengono assorbiti ed il materiale risulta colorato. Se consideriamo Cu, Ag ed Au vedremo che essi hanno colori differenti anche se appartengono allo stesso sottogruppo (IB), ciò è dovuto sia al fatto che essi non assorbono fotoni della stessa energia, sia al fatto che il colore non dipenda dagli elettroni esterni, bensì da quelli interni. Questi tre metalli, nei loro composti, possono comportarsi non solo da monovalenti, ma anche da bivalenti e (nel caso dell’Ag) da trivalenti; ciò sta a significare che tali sostanze possono perdere anche elettroni dal penultimo strato.

L’Ag tende a non comportarsi da bivalente ed appare bianco, in quanto per perdere elettroni dal penultimo livello bisogna fornire una quantità maggiore di energia rispetto a quella fornita dai fotoni della zona del visibile. Discorso diverso vale per Cu e per Au ai quali basta l’energia posseduta dai fotoni della regione del visibile per far “saltare” di livello gli elettroni ed apparire colorati. In base a quanto detto si può facilmente comprendere che il colore dipende dalla polarizzabilità (capacità dell’atomo di far passare a livelli successivi gli elettroni interni), se un metallo è più polarizzabile può assorbire facilmente fotoni della regione del visibile ed apparire colorati, mentre se è meno polarizzabile tende a tenersi stretti gli elettroni interni e la luce che colpisce il metallo viene riflessa ed appare argentea.

Colore dei composti

• Gli ioni aventi uno strato elettronico completo (K⁺, Ca²⁺, Sc³⁺, Cu⁺, Zn²⁺, Ga³⁺) sono incolori. Ioni differenti di uno stesso atomo possono avere colori differenti, ciò è dovuto alla perturbazione degli orbitali d dalla parte di un legante o quando esso viene sostituito (per esempio Cu⁺ bianco e Cu²⁺ blu).
• Nei composti di natura ionica il colore dipende dai colori dei singoli ioni costituenti; in rari casi entrambi gli ioni sono colorati quindi la tinta finale sarà la combinazione degli altri due.
• L’energia luminosa, oltre che per le transizioni interatomiche, può servire a produrre trasferimenti di carica (scambi di elettroni tra i diversi atomi), nel caso di AgI, se esso avesse una struttura cristallina ionica questo sarebbe probabilmente incolore.
• Quest’ipotesi è dovuta al fatto che Ag⁺ ha l’orbitale-d pieno, mentre I ha la configurazione del gas nobile, ma in realtà AgI non è un solido cristallino ionico, ma covalente poiché la differenza di elettronegatività corrisponde ad un’energia di lunghezza d’onda compresa nello spettro visibile, il composto assorbe la luce e quindi è colorato (giallo).
• Alcune sostanze presentano colorazioni differenti secondo il loro stato di aggregazione, per esempio lo iodio è:
• Allo stato solido grigio
• Allo stato di vapore violetto
• Le sue soluzioni alcoliche o eteree sono rosso-brune
• Le sue soluzioni in cloroformio o benzene sono viola.
• Gli elementi alcalini e alcalino terrosi non danno reazioni cromatiche in quanto non subiscono cambiamenti di stato di ossidazione e non presentano transizioni interne.
• Mg: forma un idrossido bianco che può legare coloranti organici, formando le lacche.
• Al: forma lacche.
• Fe: forma con l’anione tiocianato un complesso rosso dovuto ad un trasferimento di carica, con lo ione esacianoferrato dorma un composto blu.
• Cr: Il Cr(III) può essere ossidato a CrO₄, lo stesso elemento è in grado di formare un perossido CrO₅ blu dovuto al trasferimento di carica dall’O al metallo.
• Zn: forma solfuro bianco perché non ha possibilità né di transizioni d-d né di trasferimento di carica.
• Mn: (II) forma un idrossido bianco che diventa bruno perché si ossida a Mn³⁺ e Mn⁴⁺. Per ossidazione spinta si arriva al verde del manganato e al violetto del permanganato.
• Ni: riscontrabile per un composto che forma con la dimetilgliossima (colore rosso-fragola).
• Co: con la dimetilgliossima dà una colorazione giallastra.
• As: il solfuro di arsenico è giallo.
• Sn: solfuro giallo.
• Cd: solfuro giallo.
• Cu: solfuro di rame nero, solfato di rame blu.
• Pb: solfuro di Pb nero, ioduro Pb giallo.
• Hg: solfuro Hg nero, ioduro Hg rosso.
• Mo: si riducono i molibdati per ottenere il blu di molibdeno.

Sostanze e preparati pericolosi

In tutta l’UE sono considerati pericolosi, le sostanze ed i preparati rientranti in una o più delle seguenti categorie:

• Esplosivi: che possono esplodere per effetto della fiamma o che sono sensibili agli urti.
• Comburenti: agente ossidante di un combustibile in una reazione di combustione.
• Facilmente infiammabili: che a contatto con l’aria, a T° normali, possono riscaldarsi e infiammarsi. Sono quelle sostanze che hanno un punto di infiammabilità inferiore a 21°, che allo stato gassoso si infiammano a contatto con l’aria o che, a contatto con acqua o aria umida, sprigionano gas infiammabili.
• Infiammabili: allo stato liquido hanno un punto di infiammabilità compreso tra 21°C e 55°C.
• Altamente infiammabili: hanno un punto di infiammabilità inferiore a 0°C ed un p.e. < 35°C.
• Tossici: sostanze che comportano rischi gravi, acuti o cronici ed anche la morte se inalate, ingerite o se penetrano attraverso la cute.
• Nocivi: se ingeriti, inalati o se penetrano attraverso la cute possono comportare rischi di gravità limitata.
• Altamente tossici: sostanze che possono portare, se inalate, ingerite o assorbite attraverso la pelle, rischi estremamente gravi, acuti o cronici ed anche la morte.
• Tossici per il ciclo riproduttivo: sostanze nocive che vanno a carico della prole (non sono ereditarie) o a delle capacità riproduttive maschili e femminili.
• Corrosivi: possono esercitare azione distruttiva su tessuti vivi.
• Irritanti: non sono “aggressivi” come i corrosivi, ma possono provocare irritazioni se a contatto con la pelle o mucose.
• Sensibilizzanti: sostanze che se inalate o assorbite dalla pelle possono dar luogo ad una reazione di ipersensibilizzazione per cui una successiva esposizione provoca dermatiti o infiammazioni respiratorie.
• Pericolosi per l’ambiente: sostanze che se rilasciate nell’ambiente possono portare a gravi danni a livello animale o vegetale.
• Cancerogeni: possono produrre il cancro o aumentarne la frequenza.
• Teratogeni: sostanze che se assorbite da donne in gravidanza possono provocare malformazioni dell’embrione.
• Mutageni: sostanze che assorbite dall’organismo possono provocare lo sviluppo di alterazioni.

La sigla DL₅₀ sta ad indicare la dose che provoca la morte nel 50% degli animali da esperimento, se la sigla è riferita a prodotti utilizzati per via orale, la normativa UE prevede come animale d’esperimento il ratto, mentre se la DL₅₀ è cutanea allora si possono impiegare anche i conigli. CL₅₀ è la concentrazione in aria che provoca la morte nel 50% dei ratti da esperimento, esposti ad un massimo di 4 ore. Sono considerate molto tossiche sostanze che hanno DL₅₀ orale < 25 mg/Kg e cutanee < 50 mg/Kg, e CL₅₀ < 0.5 mg/L, mentre le sostanze tossiche hanno DL₅₀ orale compresa tra 25 e 2000 mg/Kg e cutanea compresa tra 50 e 2000 mg/Kg, mentre CL₅₀ compresa tra 0.5 e 20 mg/L.

L’UE suddivide i cancerogeni in 3 categorie:

• Sostanze note per gli effetti cancerogeni sull’uomo (conterrà la frase di rischio R45).
• Sostanze che dovrebbero considerarsi cancerogene per l’uomo (frase R45 o R49).
• Sostanze sospette per i possibili effetti, ma non supportati da informazioni soddisfacenti (frase R40).

I prodotti pericolosi in commercio sono obbligatoriamente accompagnati da schede di sicurezza, note come Material Safety Data Sheet (MSDS), queste sono redatte nella lingua del Paese d’impiego e contenenti le seguenti informazioni:

• Identificazione preparato/produttore.
• Composizione/informazione sui componenti.
• Identificazione dei pericoli.
• Misure primo soccorso.
• Misure anticendio.
• Misure per fuoriuscita accidentale (alle precauzioni individuali, alle precauzioni ambientali e ai metodi di pulizia).
• Manipolazione e stoccaggio.
• Controllo esposizione/protezione individuale.
• Proprietà fisiche/chimiche (stato fisico, colore, odore, pH, punto di fusione, ebollizione, densità ecc.).
• Stabilità e reattività (condizioni da evitare e materie da evitare).
• Informazioni tossicologiche.
• Informazioni ecologiche.
• Considerazioni sullo smaltimento.
• Informazioni sul trasporto.
• Informazioni sulla regolamentazione.
• Altre informazioni.

Quest’ultimo punto può prevedere i limiti di soglia all’inalazione per l’esposizione personale, un esempio sono i TLV ACGIH-USA ossia il valori limite di soglia elaborati dalla conferenza americana degli igienisti industriali, per TLV si intende il valore di concentrazione aerodispersa oltre il quale è prevedibile un danno da esposizione e possono essere di tre tipi:

• TLV – TWA: concentrazione media per giornata lavorativa di 8 ore e 40 settimanali (esposizione cronica).
• TLV STEL: concentrazione massima per breve periodo.
• TLV C: valore massimo da non superare mai nell’arco dei 15 minuti.

Dispositivi di protezione individuale

I DPI devono essere impiegati quando non è possibile evitare, ridurre o fronteggiare adeguatamente i rischi, fanno parte dei dispositivi di protezione individuale: i guanti, gli occhiali, mascherine, camice ecc.

Solventi organici: miscibilità con acqua

La miscibilità dipende dalla polarità del solvente organico e dalla sua attitudine a formare legami ad H, un esempio sono i solventi organici ossidrilati (come gli alcoli, i composti carbonilici eccetto gli eteri in quanto, anche se nella loro struttura vi è un atomo di O, gli atomi di H sono legati solamente a C e per questo motivo non sono abbastanza positivi da formare legami ad H).

I solventi che hanno una costante dielettrica elevata possono essere buoni solventi per gli elettroliti, mentre i solventi con una bassa costante dielettrica generalmente non solubilizzano sostanze ioniche, per questo motivo per la precipitazione di CaSO₄ si aggiunge etanolo (ha una cost. dielettrica < rispetto a quella dell’acqua). I solventi non polari sono impiegati nelle estrazioni, ossia estrarre da soluzioni acquose sostanze covalenti o composti privi di carica.

L’estrazione

Si consideri una soluzione acquosa di una data sostanza, se si aggiunge un solvente organico una parte della sostanza disciolta si trasferisce nel solvente organico e la concentrazione della sostanza nelle due fasi dipende dalla solubilità di essa in ciascuno dei due solventi. Alcuni alogenuri metallici sono alquanto solubili in solventi organici, in genere la solubilità di questa classe di sostanze aumenta con il numero di ossidazione e aumenta dai fluoruri agli ioduri.

\[A_{solvente} = K[A_{acqua}]\] K è la costante di ripartizione di una data sostanza, maggiore è questo valore e migliore è l’estrazione; dal momento che il coefficiente di ripartizione è indipendente dalla quantità di soluto, questa relazione vale anche in presenza del soluto come corpo di fondo. Poiché in queste condizioni i 2 liquidi immiscibili sono soluzioni sature, risulta che il coefficiente di ripartizione è uguale al rapporto tra le solubilità del soluto nei 2 solventi.

“È preferibile estrarre diverse volte con poco solvente, anziché poche volte con molto solvente”.

Idrolisi

• Sale acido forte + base debole: \(\sqrt{K_w [H]^+\_Cs}\)
• Sale acido debole + base forte: \(\sqrt{K_b K_w [OH]^-\_Cs}\)
• Sale acido debole + base debole: \(\sqrt{K_a \cdot K_b [H]^+ = K_b}\)
• Idrogenosale derivante da una base forte e un acido biprotico: \(\sqrt{[H]^+ K_a1 \cdot K_a2}\)
• Sale derivante da una base forte e da un acido poliprotico: dove Kn è l’ultima Ka dell’acido pH.

Soluzioni tampone

• Acido debole ed un sale formato dallo stesso acido ed una base forte: \([H]^+ = K_a \cdot C_a\)
• Base debole ed un sale formato dalla stessa base ed un acido forte: \([H]^+ = K_b \cdot C_b\)

Diagramma di Flood

È utilizzato per conoscere i valori di pH di soluzioni acide o basiche in funzione della concentrazione, è stato ottenuto in base a calcoli accurati effettuando misure elettrochimiche. È composto da varie curve che corrispondono ai diversi valori delle costanti di Ka di dissociazione o più esattamente all’inverso dei logaritmi delle costanti, mentre per le basi non si considerano le Kb, ma le costanti Ka degli acidi coniugati corrispondenti (Ka = Kw/Ka). La parte del diagramma limitata dalle linee tratteggiate comprende il campo in cui le formule approssimate sono valide.

Per gli acidi forti il pH è dato dall’ordinata del punto della curva che ha per ascissa pC. Per gli acidi deboli il pH è dato dall’ordinata del punto nella curva corrispondente al pKa dell’acido che ha per ascissa pC. Per le basi forti il pH è dato dall’ordinata nel punto della curva che parte da 14 che ha per ascissa pC. Per le basi deboli il pH è dato dall’ordinata del punto della curva corrispondente al pKa dell’acido coniugato che ha per ascissa pC.

Generalità su acidi e basi

• Un acido forte sposta l’equilibrio di dissociazione del sale (formato da un acido debole) verso la formazione dell’acido debole.
• Una base forte sposta la base debole dai loro sali. Ma se si forma un composto solubile, questa regola non è più valida in quanto la formazione di un precipitato sposta l’equilibrio verso destra.
• Una soluzione di HCl al 20% bolle a 110°C e nessun’altra miscela bolle a T° più alta poiché se sottoposta a riscaldamento si avrà che l’acido raggiunga una concentrazione azetropica; allo stesso modo si comportano HNO₃ (68%), HBr (50%) e HI (50%).

Precipitazione

Le reazioni di precipitazione sono utilizzate al fine di riconoscere ioni e sostanze (che danno precipitati caratteristici) e di separare e suddividere gli ioni in gruppi. Di norma si considerano sostanze poco solubili quelle che hanno una solubilità inferiore a \(10^{-3}\) moli/L, mentre quelle praticamente insolubili hanno solubilità = \(10^{-5}\) moli/L. Il prodotto ionico (Pi) di un composto, corrisponde al prodotto delle [ioni] provenienti dalla dissociazione del composto in soluzione, per questo motivo se si aumenta la concentrazione del nostro composto allora Pi aumenta. Se si continua ad aumentare la concentrazione si arriverà al punto che si avrà un corpo di fondo e la soluzione verrà definita satura; il Pi di questa soluzione è definito prodotto di solubilità (Ps), questa costante dipende dalla T° e per ogni valore di temperatura ha un valore costante. Il prodotto di solubilità non deve essere confuso, anche se direttamente collegato, con la solubilità in quanto quest’ultima indica la concentrazione di una specie presente in una soluzione satura. Se si vogliono fare confronti tra prodotti di solubilità di vari composti, si deve tener presente che essi hanno un significato soltanto se i composti considerati danno luogo ad un egual numero di ioni, per esempio: HgS Ps = \(10^{-52}\) e Ag₂S Ps= \(10^{-49}\) anche se HgS sembrerebbe più solubile rispetto al solfuro d’argento in verità quest’ultimo è più solubile. L’importanza del Ps sta nel fatto che tutte le volte che in soluzione vengono a trovarsi tanti A⁺ e tanti B^- in modo che il prodotto delle loro concentrazioni superi il Ps del composto AB, la soluzione è satura e il composto precipita; ossia:

• Se Pi > Ps si ha la precipitazione finché Pi = Ps
• Se Pi = Ps la soluzione è satura
• Se Pi < Ps non si ha precipitazione, il precipitato si scioglierà fino a che Pi = Ps

Effetto dello ione a comune

La solubilità può risentire delle variazioni apportate dall’esterno al sistema e reagisce cercando di neutralizzarle in modo da mantenere costante il valore del Ps. Se ad un sale poco solubile, presente anche come corpo di fondo si aggiunge un sale contenente uno ione in comune, la solubilità diminuirà.