Chimica analitica e complementi di chimica - Riassunto esame

Analita e contenuto di caffeina

Definizione di analita

Analita: specie chimica che noi vogliamo monitorare in soluzione.

Contenuto di caffeina nel cioccolato

Qual è il contenuto di caffeina in una barretta di cioccolato? Ovviamente il cioccolato contiene il 33% di grassi e 47% di zucchero oltre alla caffeina e la teobromina. Questi due sono i nostri analiti. Queste due molecole sono vicine? Diverse? Queste sono molto simili ma uno è uno stimolante (caffeina) e uno è un diuretico (teobromina).

Campionamento e preparazione

Preliminare di ogni analisi è la fase di campionamento, dobbiamo andare a raccogliere un certo numero di campioni. I campioni vengono distinti in omogenei e eterogenei. Omogenei: uguali in tutte le sue parti (soluzione acquosa). Eterogenei: campioni in cui le proprietà variano a seconda della zona (acqua olio). Ogni quantità di campione che vado ad analizzare deve essere quantitativamente noto.

Nel nostro esempio, prendiamo il cioccolato e lo mettiamo in un mortaio e lo trituriamo in piccoli pezzi, facendo questo non facciamo altro che aumentare la sua area superficiale e permettere una estrazione più potente. Il mortaio lo si tiene a bassa temperatura, perché l’energia che io attuo sul cioccolato viene dissipata come attrito e potrebbero generarsi fenomeni di microfusione che possono alterare la natura degli analiti.

Sostanze mutagene e processi ossidativi

Tutti i processi che prevedono assorbimento di calore sono processi di natura ossidativa (che facciamo diminuire il numero di atomi di idrogeno e aumentiamo il numero di doppi legami, cioè diminuiamo il grado di conformazione di una molecola e facciamo diventare una molecola sempre più piatta). Le sostanze che possono avere un'azione mutagena, cioè che possono provocare stato di mutazione a livello del DNA, sono sostanze ad elevato tasso di eccitazione.

Perché? La catena di DNA è formata da tanti nucleotidi legati tramite legame a idrogeno, se questi interagiscono con l’elica essa subirà delle malformazioni e il suo funzionamento ne sarà compromesso. Queste sostanze sono tipicamente policicliche aromatiche, abbastanza rigide, piatte e si comportano da intercalanti. Sono coinvolti nei processi ossidativi; tolgono un atomo di idrogeno alle molecole e aggiungono doppi e tripli legami del tipo π in aggiunta ai legami del tipo σ.

Nei legami di tipo σ come sappiamo vi è libertà conformazionale nel senso che possono ruotare. Se ci mettiamo un legame π la molecola avrà un grado di irrigidimento. Tanto più alto è il grado tanto più la molecola è rigida.

Preparazione e separazione del campione

Ritornando al mortaio, si tiene bassa la temperatura, così da ottenere delle ossidazioni negli analiti tale da alterare il risultato complessivo del risultato che sto ottenendo. Per prima cosa devo rimuovere ciò che non mi interessa dal campione, cioè il grasso e gli altri componenti poiché potrebbero mascherare il risultato dell’esperimento.

Per farlo dovrò prendere la polvere di cioccolato e la dovrò mettere nell’etere di petrolio, questa sostanza è un solvente organico. Otterrò una miscela in cui la dimensione delle particelle è superiore al micrometro. Vado a centrifugare il tutto favorendo la deposizione sul fondo della provetta la restante parte del cioccolato privata della parte grassa. Dopo separo le due parti e conservo la parte solida che ci interessa.

Solubilizzazione e cromatografia

Quest’ultima la inserisco in un matraccio e la miscelo con un solvente, questa volta, polare cioè acqua pura e lo porto a volume di 30 mL e riscaldiamo un pochino perché i fenomeni di solubilizzazione sono favoriti dalla temperatura. I processi di solubilizzazione sono endotermici? Sì, la solubilizzazione cresce al crescere della temperatura perché l’entalpia (calore scambiato a pressione costante) quindi se l’energia di solubilizzazione è un’energia di tipo endotermico.

Tornando al matraccio, una volta riscaldati andremo a togliere eventuali residui solidi. Ora sappiamo che nel liquido ci sono i nostri elementi. Noi sappiamo che sia la teobromina che la caffeina che si distinguono solamente per la presenza di un metile: la teobromina è trimetilata mentre dimetilata è la caffeina, ma entrambi si sciolgono molto bene in acqua.

Quindi andremo a prendere un po' di questa soluzione, la andremo a filtrare attraverso un setto poroso da 0,45 μm. Dopo fatto questo faremo una cromatografia. In quella soluzione prendiamo 20 μL e li andremo a inserire in una colonna cromatografica.

Cromatografia per determinare teobromina e caffeina

Cromatografia: tecnica di preparazione che permette di identificare quanta teobromina c’è rispetto a quanta caffeina c’è. Noi la possiamo fare capendo che affinità hanno la teobromina e la caffeina rispetto a due fasi: una fase è detta stazionaria, l’altra è detta mobile. Questa diversa capacità di legare meglio la fase stazionaria piuttosto che la fase mobile ci permetterà di preparare e quindi di distinguere sia uno che l’altro.

La fase stazionaria è costituita da silice a cui sono attaccate catene idrocarburiche. Qual è la capacità dei due componenti di legare la silice? Attraverso questa silice viene fatto scorrere il solvente costituito da acqua, etanolo e acido acetico. La teobromina tende a essere più rapida, quindi non lega con la silice, la caffeina invece sì.

Come faccio a capire? Bene in questo esperimento ci forniamo della colonna cromatografica e un’uscita con un sistema di rivelazione con una lampada ultravioletta. Una volta fatto questo creo un cromatogramma cioè un grafico all’interno del quale vi è sulla scala dell’ascissa vi è la scala dei tempi. E analizzo.

Per capire effettivamente quanta teobromina e quanta caffeina vi è dentro la barretta; possiamo andare a correlare l’altezza del picco alla concentrazione. Cioè prendo dei campioni a concentrazione nota di uno e dell’altro e li vado a mettere in una colonna cromatografica uguale a quella precedente e vedo, dopo 6 min, mi aspetto che il segnale arrivi sempre allo stesso livello e l’altezza del segnale deve essere proporzionale alla concentrazione che ho messo.

Taratura e determinazione della concentrazione

Se io costruissi una retta di taratura posso estrapolare il valore di teobromina e caffeina. Andremo a calcolare l’equazione di una retta che sarà positiva e la teobromina avrà una retta che crescerà ancora più velocemente rispetto alla caffeina. L’intercetta rappresenta l’errore sistematico. È il valore della y quando x=0. Da questo grafico possiamo estrapolare le concentrazioni della teobromina e della caffeina.

Ma qual è il grado di incertezza? Quello che si può fare è esprimere il tutto in funzione delle medie che abbiamo campionato volta per volta. Cioè dai risultati ottenuti ricaviamo la deviazione standard. La deviazione standard non fa altro che evidenziare l’intervallo di oscillazione dei valori di questo valor medio. Ogni valore avrà un intervallo più o meno ampio quanto più è incerta la misura; cioè se io ho un intervallo molto ampio quindi la mia misura è incerta. Piccoli intervalli identificano valori certi.

Rapporto tra incertezza e dato= coefficiente di variazione; se il valore è inferiore al 5% vuol dire che i dati sono buoni, se invece vanno oltre vuol dire che i dati sono così elastici da non essere attendibili.

Espressione della concentrazione

Una soluzione non è altro che una miscela omogenea (omogenea = non vedo separazione di parte) le cui proprietà sono invarianti, non variano se mi sposto da una parte e l’altra della soluzione. All’interno di una soluzione noi troveremo sicuramente due componenti: una componente che viene chiamata analita o soluto e di una solvente che nella maggior parte dei casi è l’acqua. La concentrazione esprime il rapporto tra un soluto e la data quantità di volume o massa di soluzione o in taluni casi di solvente.

Le unità di grandezza che noi utilizziamo sono la mole (numero di Avogadro di particelle 6.026*10²³ invece in un gas perfetto in condizioni standard occupa un volume di 22,4 L). la molarità rappresenta il numero di moli presenti in un litro di soluzione. Un litro corrisponde a 1 dm³ che ha 10 cm di lato. La massa atomica è il numero di grammi contenuti in un numero di Avogadro di atomi, la massa molecolare invece è il numero di grammi contenuti in un numero di Avogadro di molecole.

Unità di misura

Si distinguono in due tipi: quelle fondamentali e quelle derivate. (il metro è la distanza che la luce compie in un tempo pari al reciproco della sua velocità. V=300.000 km/s, la massa invece è il kg, un’altra grandezza fondamentale è il tempo) per quanto riguarda le unità di misura derivate vi è l’energia intesa come lavoro o come calore. Tramite lavoro = energia che serve per effettuare un lavoro meccanico oppure come calore = energia capace di creare una differenza di temperatura.

1 L = 1 dm³, 1 mL = 1 cm³

La caloria è una maniera usuale per esprimere l’energia = 4,184 joule, cal = 4.184 joule, Cal = 4184 joule.

Elettrolita

Elettrolita: sostanza che in soluzione si dissocia in cationi, ioni con carica positiva (elementi molto elettropositivi cioè che tendono a liberarsi di un elettrone così acquisire la configurazione dell’atomo precedente), e in anioni (che hanno necessità di prendere un elettrone).

Gli elettroliti forti si dissociano totalmente, questo non è sempre vero perché in alcuni casi come nel caso del MgCl abbiamo che il cloruro di magnesio è quasi tutto dissociato (70% come Mg²⁺, 30% MgCl⁺). Estrarre una carica negativa a uno ione che ha già di suo una parziale carica positiva implica un lavoro maggiore.

Gli elettroliti deboli = tutte le sostanze che sono parzialmente dissociate. In soluzione noi troviamo la copresenza sia della specie di partenza che della specie dissociata. Quando si parla di elettroliti deboli è usuale inoltrare il concetto di concentrazione analitica.

Concentrazione analitica

Concentrazione analitica: sommatoria della concentrazione della specie dissociata con la concentrazione della specie che non si è dissociata (concentrazione iniziale). Per esempio, se abbiamo una soluzione di acido acetico CH₃COOH in concentrazione 0.1 M, notiamo che si dissocia al 1.3% quindi l’acido acetico è presente prevalentemente in forma non dissociata. Se iniziamo a diluire la soluzione e portiamo la soluzione a 0,01M notiamo che la percentuale di dissociazione aumenta fino ad arrivare a 4,1% e se faccio un’ulteriore diluizione portando la concentrazione a 0,001 M la percentuale arriva a 12%.

Questo sta a significare che tanto più è diluita una soluzione di un acido debole tanto più questo elettrolita si dissocia. Tanto più una soluzione è diluita, tanto più è grande il suo grado di dissociazione. Il grado di dissociazione viene indicato con la lettera α e rappresenta il rapporto tra le moli che si sono dissociate e le moli iniziali.

Molalità

Molalità: rappresenta il rapporto tra il numero di moli e la massa di solvente. È indipendente dalla temperatura e viene utilizzata per esprimere le proprietà colligative, queste non dipendono dalla natura dei soluti ma dal numero delle particelle. La molalità può essere utile quando si devono fare misure di concentrazione che ci possono portare a utilizzare temperature diverse.

Percentuale in peso o in volume

• Percentuale in massa: rapporto tra la massa di soluto (l’analita) sulla massa di soluzione x 100.
• Percentuale in volume: rapporto tra volume di soluto su volume di soluzione x 100.

Gli errori in chimica analitica

Uno degli errori in chimica analitica è la determinazione del pH. Dato che è impossibile andare a misurare con assoluta accuratezza il valore del pH, quindi andando a intercettare ipoteticamente il valore vero quindi con assoluta accuratezza, tra il valore misurato rispetto al valore teorico (che noi vogliamo ricavare) differisce di 0,02 logaritmiche. Questa differenza è definita come errore della misura.

In realtà se andiamo opportunamente a trasformare questa distanza, tenendo conto delle proprietà dei logaritmi, questa differenza in realtà è in un range del 5%. Questo valore non è altro che l’approssimazione che noi andremo ad accettare o rigettare quando andremo a fare il calcolo del pH. Quando andiamo a fare i calcoli dobbiamo essere consapevoli che gli errori sono sempre presenti anche quando sembrerebbe che non ci sono.

Termine di precisione e accuratezza

Termine di precisione: esprime l’accordo o la riproducibilità dei dati quindi questi sono tanto più precisi quanto più sono vicini tra di loro. Accuratezza: i dati sono tanto più accurati quanto essi sono vicini al valore atteso. Per avere dei risultati attendibili non si fa una sola misura ma se ne fanno molte. Queste vengono chiamate repliche ed esse si fanno perché la probabilità di intercettare il valore vero attraverso un insieme di misure è certamente più alta di quando lo si fa una sola volta.

Valori centrali: quei valori che rappresentano tutte le misure. Fondamentalmente ne esistono 2: la media e la mediana. Media: media aritmetica; mediana: viene detto il punto di mezzo dell’intervallo, si prendono i valori, li si ordinano dal più piccolo al più grande o viceversa se essi sono pari si prenderà la coppia interna e su quelli si fa la media mentre se sono dispari si prenderà soltanto il valore centrale.

Qual è il valore aggiunto che ci dà il confronto tra media e mediana? La media soffre la magnitudo degli outlier, se io ho dei punti estremi diversi tra loro che si comportano da outlier, la media gli corre dietro, quindi la media si sposta al variare della magnitudo della outlier. Invece la mediana è invariante. Se si dovesse confrontare la media e la mediana all’interno di una successione di dati (repliche infinite) notiamo che la media e la mediana tendono a convergere. Se la media e la mediana sono molto diverse significherà che probabilmente all’interno dei dati vi è un dato che rappresenta un errore grossolano.

Precisione

La precisione indica l’accordo dei dati. Esistono tre indici di tendenza centrale che misurano la precisione: questi sono la deviazione standard, il coefficiente di variazione e la varianza. Questi tre indici si basano su una stessa quantità che viene chiamata deviazione relativa della media presa come valore assoluto. Questa rappresenta la distanza tra il valore medio, il valore che rappresenta il valore centrale dell’intervallo all’interno del quale ho fatto il campionamento, e il valore X_i, cioè il valore della mia stessa replica. Questa viene considerata come valore assoluto.

Errore assoluto e relativo

L’errore lo possiamo geometricamente rappresentare come un termine di distanza, quindi la distanza rispetto al valor vero. Errore assoluto: a differenza della deviazione dei dati della media, l’errore assoluto non configura un valore assoluto, rappresenta soltanto la distanza assoluta tra X_i e X_t. E = x_i - x_t. L’errore assoluto non è una misura di precisione ma una misura di accuratezza. Serve per quantificare il margine di accuratezza che si ha quindi la distanza (assimilando il concetto di errore al concetto di distanza) dal valore vero e la retta.

Errore relativo: rapporto fra l’errore assoluto e il valore vero. In generale viene espresso come percentuale. Ovviamente se l’errore assoluto ha un segno (se è positivo vi è un errore assoluto in eccesso, se è negativo vi è un errore assoluto in difetto) anche l’errore relativo avrà un suo segno, perché potrà essere un errore percentuale positivo se è eccedente rispetto al valor vero, oppure potrà essere un valore relativo in difetto se sta al di sotto del valor vero. E_r = (x_i – x_t / x_t) * 100. Se non lo si vuol esprimere in parti percentuali lo si può esprimere in parti per migliaia e per fare questo bisogna moltiplicare la percentuale ancora per 10.

Determinazione dell'azoto

Vogliamo ora determinare la quantità di azoto presente all’interno di composti a base di campioni che contengono idrocloruro di benzilisotiurea e acido nicotinico. Abbiamo questi due composti e cerchiamo di rappresentare le diverse possibilità analitiche di indagine. Per rappresentare la quantità di errore avremo quei grafici nei quali in ascissa avremo l’errore e in ordinata il numero di repliche eseguite.

Normalmente quando si fa la rappresentazione degli errori con determinazioni analitiche si procede mettendo sulle ascisse il valore assoluto (se non ci fosse errore la differenza dovrebbe essere 0 e ciò significa che noi abbiamo espresso la replica al maggiore grado di accuratezza). Quindi la linea che taglia il grafico non è altro che la linea che rappresenta in “nessun errore”. Ognuno di questi punti rappresenta la replica per tutto il campionamento che è stato fatto.

Accuratezza e precisione

• Alta accuratezza, alta precisione
• Alta accuratezza, bassa precisione
• Bassa accuratezza, alta precisione
• Bassa accuratezza, bassa precisione

Ci sono sei pallini quindi per fare la determinazione dell’azoto con il metodo del micro-Kjeldahl. Quando noi andiamo a fare queste misure non ne scegliamo una singola ma dobbiamo scegliere un valore centrale che mi possa rappresentare meglio tutti. Qual è questo valore? Potrà essere o la media o la mediana. La barretta celeste rappresenta la media dei singoli valori. Notiamo che il quarto analista ha fatto un errore in difetto molto ampio, il secondo ha fatto un errore in eccesso piccolo. Il primo ha fatto i suoi campionamenti e notiamo che i dati sono tutti molto vicini tra di loro, impilati quindi c’è stata una buona precisione e contemporaneamente una buona accuratezza. La barretta blu che indica l’accuratezza è molto vicina al valore zero quindi possiamo dire che l’errore assoluto tra la media delle repliche e il valor vero è in realtà molto piccola.