Chimica analitica farmaceutica (LAB)

CHIMICA ANALITICA

FARMACEUTICA

Prof. Lassiani lucia

D'INCÀ LEVIS ROBERTA

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI TRIESTE A.A. 2017/18

Chimica Analitica Farmaceutica

Programma

Metodi matematici e statistici. Precisione, accuratezza, linearizzazione, regressione, utilizzo di fogli di

1. calcolo.

Metodi volumetrici.

2. Titolazioni redox; equilibri redox, Keq e potenziale d’elettrodo. Titolazioni in solventi non acquosi.

3. Titolazioni complessometriche. Metodi elettrochimici.

Titolazioni acido-base; calcolo di pH di sistemi semplici e complessi. Titolazioni di precipitazione; effetto

4. ione a comune; effetto del pH e della formazione di complessi sulla solubilità.

Potenziometria e conduttometria; elaborazione e trattamento dei dati.

5. Metodi spettroscopici. Spettroscopia UV-visibile, spettroscopia in derivata; determinazione quantitativa

6. di analiti in miscele complesse. Determinazione di parametri chimico-fisici.

Sommario

1) Analisi quantitativa ............................................................................................................................................... 2

Metodi di analisi ............................................................................................................................................. 2

Analisi dei dati: cifre significative ................................................................................................................... 2

Precisione e accuratezza ................................................................................................................................ 4

2) Metodi di analisi classici ....................................................................................................................................... 6

Titolazioni redox ............................................................................................................................................. 8

Titolazioni acido-base

................................................................................................................................... 15

Titolazioni di precipitazione ......................................................................................................................... 27

Metodo di Mohr ................................................................................................................................ 28

- Metodo di Volhard ............................................................................................................................ 29

-

Titolazioni complessometriche .................................................................................................................... 32

Titolazioni in solventi non acquosi ............................................................................................................... 34

3) Metodi di analisi strumentali .............................................................................................................................. 35

Metodi elettrochimici................................................................................................................................... 35

Metodi potenziometrici ..................................................................................................................... 35

-

Metodi di conducibilità ................................................................................................................................ 44

Titolazioni di spostamento ................................................................................................................ 49

- Titolazioni di precipitazione per sali di acidi e basi deboli................................................................ 50

- Titolazioni redox ................................................................................................................................ 51

- Calcolare K utilizzando metodi di conducibilità............................................................................... 51

- A

4) Spettroscopia di assorbimento ........................................................................................................................... 53

1 | Analisi quantitativa

Analisi quantitativa

Lo scopo del laboratorio è effettuare analisi quantitative. Un’analisi quantitativa può essere effettuata

solamente se si conosce il tipo di sostanza che si sta analizzando: non esiste una quantitativa senza qualitativa.

ANALISI DI UN CAMPIONE

[tecniche separative]

ANALISI QUALITATIVA

[tecniche separative]

ANALISI QUANTITATIVA Informazioni

Qualità e quantità dei componenti numeriche

Metodi di analisi

Possono essere classici oppure strumentali. In ogni caso tutti mettono in relazione una proprietà fisica del

campione con la sua concentrazione.

• Metodo gravimetrico – PESO

• Metodo volumetrico – VOLUME

• Metodi elettroanalitici – POTENZIALE e CONDUCIBILITÀ

• Metodi spettroscopici – ASSORBIMENTO e EMISSIONE

• …

Le regole per l’applicazione di un qualsiasi metodo analitico sono sempre due:

1. Non ci devono essere perdite di campione o sostanza nel corso dell’operazione di analisi

2. Se i metodi si basano su una reazione chimica allora questa deve necessariamente andare a completezza

(k grande = equilibrio spostato verso i prodotti). La reazione inoltre deve essere univoca, priva di

eq

equilibri collaterali.

Il metodo viene scelto in base a:

• Composizione del campione

• Presenza di interferenze

• Quantità di campione

• Precisione

• Accuratezza

• Rapidità

• Convenienza

• Numero di analisi da effettuare

• Strumenti disponibili

Analisi dei dati: cifre significative

Convenzione delle cifre significative: “Un numero può essere scritto con una ed una sola cifra incerta.” La cifra

incerta è per lo più soggettiva, invece le cifre certe sono oggettive. Il limite per indicare le cifre significative è

sempre un limite strumentale. 2

1 | Analisi quantitativa

Somma o sottrazione delle cifre

Il risultato avrà un numero di cifre significative dopo la virgola pari a quelle dell’addendo che ne ha meno.

3,4 +

2,001+

1,11=

6,5

L’incertezza del primo numero è a livello dei decimali, quindi si propagherà comunque e sempre a livello

decimale.

Moltiplicazione e divisione

Il risultato avrà lo stesso numero di cifre significative che ha il fattore con meno cifre.

24 ∗ 0,402 = 9,6

✓ esatto

2 c.s. 3 c.s. 2 c.s.

24 ∗ 0,452 = 11

 errato

Il secondo caso è scorretto perché nel caso di moltiplicazione e divisione non è sufficiente applicare questa

regola, ma è necessario andare a verificare l’incertezza relativa percentuale per ciascun fattore.

Si va a calcolare considerando l’entità dell’incertezza per unità di cifre significative: es 24 ha 1 incertezza per 24

unità. 1

24 → = 0,0417

24 1

0,452 → = 0,00221

452

1

11 → = 0,0909

11

L’incertezza sul risultato in questo caso è più del doppio dell’incertezza del fattore con minore numero di c.s. Dal

momento che l’incertezza si propaga ma non deve derivare dai calcoli, il risultato va scritto con una cifra

significativa in più: 1

24 ∗ 0,452 = 10,8 = 0,00925

108

Dal momento che sarebbe impossibile fare questi passaggi per ogni calcolo effettuato, si procede secondo i

seguenti passaggi:

1. Scrivere sempre il risultato con la regola delle c.s. pari a quelle del fattore con numero minore

2. Confrontare il risultato con il fattore di cui si sono tenute conto le c.s., a prescindere dalla virgola. Se il

risultato risulta maggiore del fattore iniziale allora sarà corretto scriverlo con quel numero di cifre

significative, altrimenti – se è minore – bisognerà aggiungervi una cifra significativa in più.

96 > 24

✓ , va bene il risultato 9,6

11 < 24

 , non va bene 11 ma va scritto 10,8

Logaritmi e antilogaritmi

Se si fa il logaritmo di un numero con una cifra significativa, il risultato avrà una sola c.s. Se si fa il logaritmo di un

numero con 2 c.s. allora il risultato ne avrà due.

log 2 = 0,3 log 2,0 = 0,30 pH = 4,25 ha solo 2 c.s.? …

3

1 | Analisi quantitativa Precisione e accuratezza

Precisione e accuratezza

Scegliendo un certo metodo di analisi, si cerca di scegliere

quello che ci consenta di avere una maggiore precisione e

accuratezza. Dovendo scegliere, tuttavia, è meglio ottenere

un’elevata accuratezza e una bassa precisione piuttosto di

un’elevata precisione e un’accuratezza bassa.

Precisione

Ha due significati:

1. Numero di cifre significative con il quale si rappresenta una certa quantità

→

2. Dispersione dei dati ottenuti nelle stesse condizioni se si effettua una misura nelle stesse condizioni si

deve ottenere sempre più o meno lo stesso numero (riproducibilità)

È possibile esprimere la precisione riproducendo varie volte nelle stesse condizioni lo stesso

esperimento/misurazione. Si può quindi determinare in ogni caso.

La precisione si può indicare come:

= | − ̅ |

1. Deviazione dalla media:

È però un metodo poco oggettivo per indicare la precisione, perché la valutazione sulla precisione o

meno di un certo dato dipende da una valutazione personale di quali dati siano accettabili e quali meno.

2

∑( −̅ )

√

=

2. Deviazione standard: −1

Dà molto meno peso a scarti molto piccoli che invece la deviazione normale considera al pari di quelli

più grandi. Grazie alla presenza di un quadrato un numero molto piccolo diventa piccolissimo, mentre

un numero più grande ha un peso maggiore. Con questa formula si può essere più oggettivi nel

̅− ̅+

determinare la precisione: sono considerati precisi solo dati che sono compresi tra e

Accuratezza

È definita come la vicinanza di un insieme di misure ottenute sperimentalmente al valore vero, noto o presunto

che sia. Può essere quindi determinata esattamente solo se è noto il valore vero.

Viene espressa in termini di errore assoluto o relativo.

1. Errore assoluto: differenza tra il valore osservato e il valore vero (o accettato). Può essere positivo o

negativo. È poco significativo perché non tiene conto dell’entità della misura per il quale è calcolato.

= −

2. Errore relativo: rapporto percentuale tra l’errore assoluto e il valore vero. Tanto più grande è il valore

vero, tanto più piccolo sarà l’errore relativo %: è sempre meglio quindi fare misurazioni il più alte

possibili anziché più basse, per minimizzare l’entità dell’errore.

−

% = %= %

X X E E%

oss vero ass

99,99 m 100 m 1 cm 0,01%

9 cm 10 cm 1 cm 10%

4

1 | Analisi quantitativa Precisione e accuratezza

Gli errori sono classificabili in: →

1) Errori accidentali e casuali sempre presenti in tutti i tipi di analisi. Hanno una distribuzione che è

rappresentata da: 2

1 1

(−̅ )

−

= ∙ ; =

2

2

√2 √2

Questa funzione ci dice che:

o È ugualmente probabile trovare un errore casuale che sia positivo e uno che sia negativo: rifacendo la

misurazione varie volte gli errori positivi annulleranno quelli negativi, questo perché la funzione è

simmetrica rispetto alla media.

o Errori più piccoli sono più probabili di errori grandi. 1

=

Accuratezza e precisione sono legati tra di loro tramite la relazione . Se i dati sono tra loro molto

√2

vicini (alta precisione) sigma sarà molto piccolo. L’inverso di sigma, e quindi y , sarà molto grande: ci sarà una

max

grande accuratezza. Se invece i dati sono molto dispersi (bassa precisione) sigma avrà un valore piuttosto

consistente e così anche y .

max Curva rossa:

Alta precisione, tutti i dati sono vicini tra di loro. quindi è

piccolo: la curva è più stretta e alta (y grande).

max

C’è una probabilità più grande di fare errori piccoli rispetto

ad errori grandi, quindi abbiamo una elevata accuratezza.

Curva verde:

Dati dispersi (bassa precisione). grande: curva più bassa

e larga. y piccolo: accuratezza bassa.

max

→

2) Errori sistematici talvolta sono presenti, talvolta no. Possono essere attribuiti a:

o Operatore

o Metodo

o Strumentazione

Se sono presenti errori sistematici la curva viene traslata

orizzontalmente. Sono sempre errori o positivi o negativi

rispetto al valore vero: non possono essere risolti

replicando la misurazione. Deviazione standard e

precisione del metodo non cambiano.

Sono errori eliminabili solamente se ci si accorge di star

commettendo tali errori.

COME È MEGLIO PROCEDERE:

Vedere i dati ottenuti. Fare in modo che siano molto vicini ma allo stesso tempo anche con sigma molto piccolo,

in modo da avere una accuratezza elevata.

Per ridurre gli errori si può anche procedere aumentando il valore misurato: un errore sarà meno grave se è

commesso su una misura piuttosto grande anziché su quantità basse.

5

2 | Metodi analitici classici

Metodi di analisi classici

Si trovano due categorie:

1. Metodi gravimetrici: si misura il peso del componente

2. Metodi volumetrici: si misura il volume

La titolazione è la misura volumetrica di una soluzione standard a concentrazione nota (titolante) che reagisce in

maniera quantitativa e senza equilibri collaterali con il componente da analizzare (analita), solido o in soluzione.

Si raggiunge un equilibrio. La K di questo equilibrio deve essere molto elevata: in questo modo tutto l’analita

eq

reagirà per dare solamente prodotti. + ⇌

La reazione può essere analizzata prendendo in considerazione i suoi diversi stadi:

1) Punto iniziale: equivalenti di titolante aggiunto pari a 0. In

soluzione è presente solo analita.

= 0 , ,

[] =

2) Eccesso di analita: gli equivalenti di titolante aggiunto sono

inferiori agli equivalenti di analita iniziali. In soluzione si trovano

analita e prodotti

0 < < , ,

= ( − )

() () ()

3) Punto di equivalenza: gli equivalenti di titolante aggiunto sono uguali agli equivalenti di analita iniziali. In

soluzione sono presenti solo prodotti. = ; ;

=

La seconda è una relazione sempre vera nell’equivalenza chimica. Vale sempre se si utilizzano gli equivalenti,

mentre se si usa la molarità non è detto che la relazione sia corretta.

4) Eccesso di titolante: gli equivalenti di titolante aggiunto sono superiori agli equivalenti di analita iniziali. In

soluzione si trovano titolante e prodotti.

> ; ;

= ( − )

() () ()

=

Molarità

= = = + - -

Normalità , dove e , (n=H , OH , e )

→

H SO + NaOH NaHSO + H 0 L’acido scambia 1 eq

2 4 4 2 +

H SO + 2NaOH→Na SO + 2H O L’acido cede due H , scambia 2 eq

2 4 2 4 2 6

2 | Metodi analitici classici

Il titolante è sempre e comunque una soluzione, mentre l’analita può essere solido oppure in soluzione. Per

rispondere alla nostra domanda “quanto”, si procede tramite la relazione di cui al punto 3:

() ∙

• = () =

→

Se l’analita è solido: 1000 1000

• = =

→

Se l’analita è in soluzione:

Se non si valuta bene il volume di titolante al punto di equivalenza (V ) e se non si conosce la concentrazione

T

esatta del titolante stesso (N ), si avrà un valore di g(A) poco ACCURATO.

T

La rappresentazione grafica di questa “reazione teorica” si chiama curva di titolazione. Sulle ascisse si trova il

volume di titolante, in ordinata una funzione logaritmica della concentrazione (logC). In tutti i punti della curva è

indicata una situazione all’equilibrio.

La curva è sempre in discesa:

1. L’analita è sempre in calo perché sta reagendo, sta

scomparendo

2. Il titolante è una soluzione; la sua aggiunta determina

un aumento del volume e quindi una diminuzione di

concentrazione

Prima del punto di equivalenza (pt 2) e dopo (pt 4) la curva ha

più o meno lo stesso andamento.

Ha un flesso in corrispondenza del punto di equivalenza (non è

un intervallo, ma solo un punto esatto). In corrispondenza di

quel punto si verifica una brusca variazione di ordinata.

Il punto di equivalenza si può visualizzare attraverso:

• Indicatori chimici

• Tecniche strumentali

Per poter effettuare una titolazione si devono quindi verificare sempre 4 condizioni contemporaneamente:

1. Avere una reazione possibile quantitativa e senza effetti collaterali per il composto da analizzare.

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