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Laboratorio di chimica analitica strumentale - determinazione della concentrazione dei nitrati in un campione d'acqua Appunti scolastici Premium

Appunti di Laboratorio di chimica analitica strumentale per l'esame del professor Tagarelli. La seguente trattazione riguarda la determinazione della concentrazione dello ione nitrato presente in un campione di acqua di rubinetto mediante spettrofotometria di assorbimento UV/VIS. Nel documento troviamo: la descrizione della radiazione elettromagnetica UV/VIS, descrizione della spettrofotometria UV/VIS,... Vedi di più

Esame di Laboratorio di chimica analitica strumentale docente Prof. A. Tagarelli

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direttamente la concentrazione. Tuttavia grazie alla proporzionalità diretta che esiste tra le due

grandezze è possibile ricavarla. Questa proporzionalità è sancita dalla legge di Lambert-Beer, che

mette in correlazione la concentrazione dell’analita e la lunghezza del cammino ottico della fase che

lo contiene con l’entità dell’assorbimento. Per enunciarla bisogna immaginare che una certa

quantità di materia in forma di parallelepipedo venga colpita perpendicolarmente ad una faccia da

d’onda ben definita. L’intensità del raggio incidente (P

un raggio di lunghezza ) subirà una

0

diminuzione relativa (dP/P) che dipende dalla capacità di assorbimento di tale radiazione

monocromatica da parte del materiale (α’ ), e dalla lunghezza dello stesso (b), che costituisce il

λ

cammino ottico: ∫ ∫

T è la trasmittanza, ed è il rapporto tra l’intensità della radiazione incidente e quella uscente. Può

variare tra 0 ed 1. E’ 0 se il materiale assorbe completamente quella radiazione di determinata

lunghezza d’onda, ed il materiale si definisce opaco. E’ 1 se invece il materiale non assorbe per

niente, e si definisce trasparente. A è invece l’assorbanza, che è l’inverso della trasmittanza. Essa

può variare tra 0 ed infinito. E’ 0 nel caso di un materiale trasparente ed infinito nel caso di uno

opaco. E’ bene tuttavia che l’assorbanza sia compresa tra 0,1 ed 1, al fine di ottenere risultati

accurati. Per estendere questa legge alle soluzioni bisogna considerare una soluzione di un soluto

cromoforo in un solvente trasparente. V = Sb

V è il volume della soluzione, S la superficie di una faccia e b la lunghezza del cammino ottico.

α’ = β n/V

λ λ

n è il numero di molecole del soluto e β è l’attitudine della molecola di soluto ad assorbire la

λ

radiazione.

La concentrazione molare può essere scritta come:

c = (n/V)(1000/N )

A

n/V = (c ∙ N )/1000

A

α’ = (β ∙ c ∙ N )/1000

λ λ A

Sostituendo: /P = (β ∙ c ∙ b ∙ N

ln P )/1000

λ

0 A

/P = (β ∙ c ∙ b ∙ N )/(1000 ∙ 2,303)

log P λ

0 A

con (β ∙ )/(1000 ∙ 2,303) = ε che è l’assorbività molare

N

λ λ

A

La legge di Lambert- Beer è quindi: A = ε ∙ b ∙ c

λ

Si nota come l’assorbanza sia linearmente dipendente dalla concentrazione, dal cammino ottico e

dall’assorbività molare. Questa linearità però non è sempre mantenuta. Vi sono delle deviazioni da

tale legge dovute a fattori strumentali e chimici. Tra i primi si considera l’utilizzo di una radiazione

L’analita può presentare diverse capacità di assorbimento al variare della lunghezza

policromatica.

d’onda della radiazione incidente. Da qui la necessità di utilizzare una radiazione monocromatica.

Tra i fattori chimici invece si considerano reazioni di dissociazione, associazione, formazione di

complessi e polimerizzazione, che generano altre specie che possiedono valori di assorbività molari

differenti.

Per poter tradurre il segnale ottenuto in concentrazione è necessario costruire una retta di taratura.

Ciò si fa scegliendo un intervallo di concentrazione e preparando in tale range diverse soluzioni

standard dell’analita. Queste soluzioni devono avere concentrazioni note e diverse. Quindi si

misurano i segnali per ognuna di queste soluzioni e si costruisce un grafico riportando in ascissa i

valori delle concentrazioni e in ordinata l’intensità dei segnali. Si stabilisce qual è la retta che si

adatta meglio a questi punti tramite il metodo dei minimi quadrati e la si traccia. Infine si trova il

valore della concentrazione in corrispondenza del segnale ottenuto dal campione incognito.

L’accuratezza di un’analisi spettrofotometrica è dovuta anche all’efficienza e alla precisione dello

strumento.

Vi sono spettrofotometri a raggio singolo e a raggio doppio. La luce proveniente da una sorgente

viene inviata al monocromatore, che scompone la radiazione policromatica in bande ristrette di

lunghezze d’onda, passa attraverso il campione e viene misurata mediante un rilevatore. La sorgente

è costituita da una lampada, la quale deve emettere una radiazione più possibile costante e

riproducibile. Per emissioni nella regione del visibile si usano lampade a filamento di tungsteno che

coprono un intervallo di lunghezze d’onda compreso fra 930 e 330 nm; la temperatura di lavoro è di

circa 3000 °K. La lampada a deuterio garantisce uno spettro di emissione continuo nella regione

interessata. Il monocromatore è costituito da due parti: un elemento disperdente e un filtro ottico.

Questo strumento riesce a scomporre la radiazione policromatica emessa, in bande

monocromatiche.

La qualità di tale strumento dipende da due parametri: l’ampiezza della banda passante

(responsabile della scelta di una particolare radiazione) e il potere risolvente (la capacità di separare

fra di loro più lunghezze d’onda). Un monocromatore può essere costituito da un prisma oppure da

un reticolo di diffrazione.

Quando si usa il prima, le radiazioni emesse vengono diffratte dal prismi con un angolo dipendente

dalla lunghezza d’onda. Variando l’inclinazione si seleziona di volta in volta la radiazione con una

determinata lunghezza d’onda che andrà a colpire il campione.

Il reticolo, operante in riflessione o in trasparenza, è una lamina su cui vi sono tracciate delle righe

parallele ed equidistanti. Ogni riga funge da sorgente di radiazione nel momento in cui la luce viene

riflessa dal reticolo. Le lunghezze d’onda sono trasmesse o riflesse con angoli diversi. Il rivelatore,

invece, si occupa di trasformare l’energia radiante in un segnale elettrico, che a sua volta permette

di visualizzare valori numerici di assorbanza oppure di visualizzare uno spettro di assorbimento. I

rivelatori possono essere tubi fotomoltiplicatori oppure celle fotovoltaiche.

I tubi fotomoltiplicatori sono costituiti da un catodo che emette elettroni e vari dinodi tra i quali è

applicata una differenza di potenziale via via crescente. Ogni dinodo emette un numero di elettroni

superiore a quello che impatta. Questa cascata di elettroni viene infine raccolta all’anodo.

La prima operazione da eseguire durante un esperiemento è porre nella cuvetta porta campione il

bianco del solvente o dei reagenti, in modo tale da calcolare la potenza radiante (P ); il valore di P

0 0

viene sottratto all’assorbanza del campione per ottenere l’assorbanza vera del campione alla

lunghezza d’onda voluta. Nell’analisi spettofotometrica si sceglie solitamente la del massimo di

assorbanza sia perché la sensibilità dell’analisi è massima in corrispondenza di questo picco, sia

perché la curva di assorbanza è relativamente piatta in corrispondenza del massimo, pertanto la

è rispettata se l’assorbanza nei

variazione di assorbanza è piccola e la legge di Lambert-Beer

dintorni della banda selezionata è pressocché costante. Si sostituisce poi il bianco con il campione

da analizzare e se ne determina la potenza radiante P. Dal rapporto di questi due valori, P/P , si

0

calcola la frazione di luce incidente che viene trasmessa al campione, ossia la trasmittanza (T),

questa è legata all’assorbanza mediante la relazione A = - log T .

 EQUIPAGGIAMENTO UTILIZZATO IN LABORATORIO

In laboratorio, per questa esperienza, ci si deve munire di un camice e, quando possibile, di un paio

di guanti puliti in modo da evitare il contatto diretto delle mani con le sostanze, con la

strumentazione e con la vetreria utilizzata. Soprattutto con le cuvette che devono essere il più

trasparente possibile.

 ATTREZZATURE UTILIZZATE

Per lo svolgimento di questa esperienza si hanno a disposizione: Buretta da 25,00 ml ± 0,03 ml,

Bilancia analitica con sensibilità 0,0001 g, Pinze di Mohr, Spatoletta, Matraccio da 1000,0 ml ±

0,5 ml, 5 matracci da 50,00 ml ± 0,02 ml, Cuvetta di quarzo da 10 mm, Spruzzetta, Pipetta

Pasteur, Pesafiltri, Spettrofotometro UV interfacciato ad un computer.

 REAGENTI UTILIZZATI

Acido cloridrico 1 M (HCl), Nitrato di potassio (KNO ), Acqua di rubinetto, Acqua

Si utilizzano: 3

distillata (H O).

2

 PROCEDIMENTO ANALITICO -4

Si prepara una prima soluzione stock di nitrato di potassio 6 ∙ 10 M in un matraccio da 1 L

portando a volume con acqua distillata.

Si pesano quindi 0,0607 g di nitrato di potassio in un pesafiltri, massa che deriva dai calcoli sotto

riportati, registrando la pesata al decimo di milligrammo. Si versa il contenuto in un matraccio da

1L e si porta a volume con acqua distillata, aiutandosi con la pipetta Pasteur verso la fine per fare in

modo che il menisco sia tangente alla linea di taratura. Quindi si avvina la buretta un paio di volte

con tale soluzione e la si azzera. Si preparano cinque soluzioni standard, prelevando

consecutivamente con la buretta volumi di soluzione stock che vanno da 1 a 5 ml, da versare nei

cinque matracci, ciascuno da portare a volume di 50 ml con acqua distillata. Per le ultime aggiunte

ci si aiuta con una pipetta Pasteur. Si aggiunge 1 ml di acido cloridrico 1 M ad ogni soluzione,

32-

prelevandolo sotto cappa, e si agita bene. L’acido serve ad eliminare gli ioni carbonato (CO ) che

agiscono da interferenti. L’acido cloridrico trasforma lo ione carbonato in biossido di carbonio, il

quale è gassoso e viene così eliminato dalla soluzione: + -

O → H

HCl + H O +Cl

2 3

32- + 3-

→ HCO

CO + H O + H O

3 2

3- + → CO ↑ + 2H

HCO + H O O

3 2 2

Gli interferenti sono sostanze che possono comportarsi come l’analita, e quindi ne risulta una

sovrastima della concentrazione, o possono nascondere l’analita, con conseguente sottostima del

risultato. In ogni caso falsano la misurazione, ed è bene ridurre al minimo il loro effetto.

Successivamente si preparano il campione reale, versando acqua di rubinetto in un matraccio da 50

ml, ed il bianco, versando 50 ml di acqua distillata in un matraccio ed aggiungendo ad entrambi un

millilitro di acido cloridrico. Il bianco è costituito soltanto dalla matrice (il mezzo in cui si trova

l’analita) e serve a tener conto dell’assorbimento che si verifica nonostante l’assenza dell’analita.

Ciò accade perché le interazioni che si verificano all’interfase aria/parete e alle interfasi

aria/soluzione generano un’attenuazione del fascio che lo strumento registra quindi come

assorbimento.

Prima di iniziare l’analisi con lo spettrofotometro, si imposta il programma, stabilendo l’intervallo

di lunghezze d’onda a cui registrare l’assorbanza. Quindi si prende la cuvetta (recipiente che

conterrà il campione durante l’analisi) afferrandola dalle pareti opache, perché toccandola sulle

pareti trasparenti, quelle che verranno colpite dalla radiazione, è possibile contaminarne la

superficie e di conseguenza falsare il risultato. Si avvina la cuvetta tre volte versando il bianco con

una pipetta Pasteur, la si riempie e la si posiziona nello spettrofotometro. Si imposta il programma

stabilendo che l’analisi che si sta effettuando riguarda il bianco, ed esso terrà conto ad ogni analisi

successiva del valore di assorbanza registrato, eliminandolo da ogni misurazione. Si procede quindi

all’analisi delle cinque soluzioni stock, utilizzando per ciascuna una pipetta diversa per evitare

contaminazioni. Si parte dalla più diluita per arrivare a quella più concentrata, per fare in modo che

la soluzione precedente lasci un residuo minore di analita. Infine si analizza il campione reale. Il

programma presenta un grafico che riporta in ordinata i valori delle assorbanze e sulle ascisse il

range delle lunghezze d’onda. Si leggono i valori di assorbanza a 205 nm, che costituisce la

lunghezza d’onda alla quale si ha l’assorbimento massimo per i nitrati. Ciò permette di realizzare un

metodo più sensibile e di minimizzare l’errore relativo sulla misura.

 DATI SPERIMENTALI OTTENUTI DALLA DETERMINAZIONE

Valori di assorbanza delle soluzioni standard:

Concentrazioni (M) Assorbanza

-5

1,2x10 0,1008

-5

2,4 x10 0,2236

-5

3,6 x10 0,3391

-5

4,8 x10 0,4440

-5

6 x10 0,5570

Assorbanza campione: 0,1362

 FORMULE MATEMATICHE, CALCOLI E REAZIONI CHIMICHE 6 ∙

La massa di Nitrato di Potassio che deve essere pesata e disciolta in 1 L di soluzione acquosa

-4

10 M è stata così calcolata:

-4

/V = 6 ∙ 10

n M

(KNO3) -4

∙ V = 6 ∙ 10

n /V = m /MM M

(KNO3) (KNO3) (KNO3) -4 -4

∙ V ∙ 6 ∙ 10 M = 101,11 g/mol ∙ 1L ∙ 6 ∙ M = 0,060666 g ≈ 0,0607 g

m = MM 10

(KNO3) (KNO3)

 -4

Preparazione di un litro di soluzione 6 ∙ 10 M di KNO :

3

Massa di KNO pesata = 0,0607 g

3 ∙ V) = (0,0607 g) / (101,11 g/mol) ∙ 1 L = 0,000600336 M

C = n /V = (m )/(MM

KNO3 KNO3 KNO3 KNO3


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DESCRIZIONE APPUNTO

Appunti di Laboratorio di chimica analitica strumentale per l'esame del professor Tagarelli. La seguente trattazione riguarda la determinazione della concentrazione dello ione nitrato presente in un campione di acqua di rubinetto mediante spettrofotometria di assorbimento UV/VIS. Nel documento troviamo: la descrizione della radiazione elettromagnetica UV/VIS, descrizione della spettrofotometria UV/VIS, lo spettrofotometro, la legge di Lambert-Beer, i solventi utilizzabili, come determinare i nitrati (o qualsiasi sostanza che assorbe all'UV/VIS) e la determinazione della concentrazione mediante metodo dello standard esterno.



DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea in chimica
SSD:
Università: Calabria - Unical
A.A.: 2010-2011

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher Kimiko89 di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Laboratorio di chimica analitica strumentale e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Calabria - Unical o del prof Tagarelli Antonio.

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