CHIMICA ANALITICA RIASSUNTO PDF

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CHIMICA ANALITICA RIASSUNTO...

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Inquadramento del processo analitico La Chimica analitica è nata e si è sviluppata per dare risposte alle necessità di analisi di campioni (acque, alimenti, metalli e leghe, fertilizzanti, ecc.), cioè per risolvere dei problemi analitici. Si definisce campione la porzione di materia che deve essere sottoposta ad analisi. All’interno del campione sono presenti: - Analita: uno o più componenti costituenti il campione - Matrice: altre sostanze diverse dall’analita (solvente, interferenze, ecc.) L’analisi chimica può essere finalizzata per due diversi scopi: - Analisi chimica qualitativa: finalizzata a determinare le specie chimiche presenti nel campione - Analisi chimica quantitativa: finalizzata a determinare le quantità (concentrazioni) delle specie chimiche presenti nel campione Ovviamente la sequenza temporale è di solito la seguente: a. Analisi qualitativa b. Analisi quantitativa Occorre sottolineare che l’analisi della medesima sostanza in materiali diversi può presentare problemi analitici anche sensibilmente differenti. La determinazione quantitativa di un dato analita in matrici diverse può comportare procedure analitiche diverse, anche a parità di metodo prescelto per la misura vera e propria: ad esempio la determinazione del ferro nel sangue, in una lega metallica o negli spinaci. La differenza nella composizione delle tre matrici citate potrebbe comportare problematiche analitiche differenti per quanto riguarda la determinazione del ferro, soprattutto per quanto riguarda la presenza di interferenze diverse. Questa situazione è indicata come “effetto matrice”; l’effetto matrice è quindi l’errore commesso nella determinazione dell’analita a causa degli altri componenti del campione. Nella determinazione analitica si utilizzano: tecniche, metodi, procedure, protocolli. Ogni termine ha un preciso significato: - Tecnica analitica: è l’insieme di principi teorici e accorgimenti sperimentali che sfrutta un fenomeno scientifico fondamentale per ottenere un’informazione sulla composizione di un certo campione. Esempi: spettroscopia, cromatografia, voltammetria, ecc. - Metodo analitico: è l’applicazione di una tecnica analitica per risolvere un problema analitico specifico. Esempio: determinazione spettrofotometrica del Cr(VI) nelle acque dove può essere presente come inquinante - Procedura analitica: è l’insieme delle istruzioni base necessarie per utilizzare un metodo analitico. La procedura è quindi la successione degli stadi operativi principali per quell’analisi. Esistono numerosi metodi standard indicati da vari Enti nazionali e internazionali (IUPAC, NBS, ISO, ecc.) sono in realtà procedure standardizzate; devono essere applicate in tutti i laboratori per ottenere risultati confrontabili e riconosciuti dalla normativa vigente - Protocollo analitico: è l’insieme delle istruzioni e direttive dettagliate da eseguire rigidamente affinché il risultato possa essere accettato per fini particolari. E’ quindi l’insieme delle istruzioni dettagliate da seguire rigidamente per eseguire l’analisi. Durante l’esecuzione di una analisi si ottengono dei risultati numerici cioè si effettuano delle misurazioni che producono delle misure: - Misurazione: è la determinazione analitica vera e propria Misura: informazione costituita da un numero, un’incertezza ed una unità di misura. La misura viene effettuata utilizzando un metodo di misura: è il procedimento che permette di passare dal segnale fornito dallo strumento (variabile strumentale) alla determinazione qualitativa e/o quantitativa della sostanza ricercata nel campione, cioè dell'analita (variabile chimica). La variabile strumentale e quella chimica sono legate da una qualche legge di dipendenza (per es. la legge di Lambert-Beer della spettrofotometria) che le correla e che consente di trasformare il segnale letto in un dato numerico, come per esempio la concentrazione dell'analita. Questa trasformazione può essere realizzata con vari metodi (retta di lavoro, metodo delle aggiunte, standard interno, ecc.) La procedura analitica nel suo complesso Per risolvere un problema analitico (analisi di un campione in laboratorio richiesta da un cliente), è fondamentale la determinazione della procedura analitica nel suo complesso. La procedura analitica prevede varie fasi di scelta successiva:

1. Definizione generale del problema (cliente). Ad esempio la determinazione del Cd in un acciaio, dei componenti volatili in un aroma, degli anticrittogamici nella frutta 2. Definizione analitica del problema (cliente ↔ analista). Si definiscono i dettagli tecnici, analisi quantitativa o qualitativa, quanto materiale è a disposizione, cosa è noto della composizione, quanto è il tempo a disposizione, l’errore consentito, il costo probabile 3. Scelta di: tecnica, metodo, procedura e di eventuale protocollo (analista) 4. Campionamento (cliente ↔ analista). E’ la fase più critica dell’intero processo analitico perché il campione prelevato e successivamente analizzato deve essere rappresentativo di tutto il materiale; un campionamento non significativo può falsare tutta l’analisi 5. Trattamento del campione (analista): è una fase che può essere più o meno complessa. Può comprendere: separazione, dissoluzioni (attacco del campione), fusioni, diluizioni, concentrazioni, derivatizzazione (introduzione di gruppi in grado di produrre un segnale analitico: ad esempio la metilazione degli oli per produrre esteri metilici volatili in grado di essere analizzati mediante GC) 6. Analisi (analista): va effettuata con metodi idonei a contenere gli errori nei limiti richiesti e di solito si devono effettuare un numero di repliche sufficiente a diminuire il rumore (fluttuazioni casuali dei valori ottenuti) in modo da produrre un risultato medio significativo 7. Elaborazione (analista): i dati ottenuti possono essere sottoposti ad opportune elaborazioni statistiche per valutare lo scarto di eventuali dati aberranti (ad esempio il test di Dixon), l’accuratezza e la precisione (ad esempio utilizzando il t di Student) 8. Relazione (cliente ↔ analista): deve contenere in modo esauriente, conciso e chiaro i risultati ottenuti dall’analista Aspetti relativi alla risoluzione di un problema analitico La soluzione di un problema analitico non è sempre immediata e spesso è anche legata all'esperienza dell'operatore che deve risolverlo; in ogni caso è opportuno tener presente che l'approccio al problema analitico deve essere sistematico, cioè non si deve improvvisare ma di solito è opportuno considerare gli elementi descritti di seguito, che dovrebbero guidare l'analista ad una scelta ragionata e motivata della metodica analitica: 1. Componenti del campione: è necessario distinguere analita e matrice, considerando la provenienza del campione e quindi la sua probabile composizione. Ad esempio volendo analizzare il Ca in un acqua, si ha un campione relativamente semplice in cui la maggior parte della matrice è l'acqua stessa, che ovviamente non interferisce; se si utilizza una normale titolazione complessometrica con EDTA e NET come indicatore si avrà l'interferenza del Mg, mentre utilizzando un indicatore specifico del Ca (muresside o acido calconcarbonico) ed un particolare pH si riuscirà a dosare solo il Ca. Inoltre la scelta della procedura analitica dovrà anche tener conto del rapporto analita/matrice, ovvero della quantità di analita effettivamente presente nel campione analizzato 1. Aspetto merceologico: il tipo e la provenienza del campione incognito sono determinanti per: a. avere un'idea preliminare della composizione del campione b.

valutare il tipo di precisione richiesta nel referto finale, cioè nel risultato che si deve fornire. Ad esempio dovendo determinare il K nel sangue (analisi cliniche) o in un fertilizzante potassico, si avrà un problema analitico ben diverso: varieranno le potenziali interferenze (nel campione di sangue si hanno anche altri metalli come il Na, mentre nel fertilizzante non si avranno questi problemi) e varierà la precisione richiesta (nel campione di sangue la quantità di analita presente è molto più bassa e quindi sarà richiesta una precisione maggiore). Questa analisi si potrebbe effettuare con la tecnica fotometrica in emissione

2. Aspetto legislativo: le analisi tecniche di prodotti commerciali o naturali sono regolate da precise norme di legge, che stabiliscono molto spesso direttamente l'intera procedura analitica ed il modo di presentare i risultati. Ad esempio l'analisi dell'acqua (realizzata in una struttura come l’ARPA o l'ASL di un qualsiasi Comune) è soggetta a norme precise per il dosaggio dei vari elementi; per fare un esempio la determinazione dell'ammoniaca prevede, per legge, l'uso del reattivo di Nessler e la tecnica spettrofotometrica nel VS: l'uso di un'altra metodica analitica, per quanto valida, non produce risultati riconosciuti ufficialmente 3. Letteratura chimica: poiché esistono già, opportunamente codificate, moltissime procedure analitiche, di fronte ad un problema analitico è opportuno consultare la letteratura specializzata, per verificare se esistano procedure analitiche già sperimentate e codificate.

Il processo analitico nei dettagli La qualità del risultato di un’analisi dipende dalla accuratezza di tutte le procedure sperimentali che a partire dal materiale grezzo da analizzare portano al risultato finale: gli errori compiuti nei vari stadi della procedura determinano l’errore complessivo del risultato; e’ quindi necessario prestare la massima attenzione a tutte le procedure sperimentali presenti nel processo analitico e non solo all’analisi vera e propria.

Nel seguente schema sono indicati i principali passaggi in cui si articola il processo analitico: 1. Campionamento 2. Trattamento del campione 3. Analisi

Le analisi possono essere classificate in base alla quantità di campione da analizzare, come indicato nel seguente grafico; molte tecniche utilizzate per macro analisi non possono essere utilizzate per le ultramicro analisi:

Inoltre è altrettanto importante la percentuale di analita del campione: gli analiti presenti in tracce richiedono tecniche più sensibili e le loro determinazioni sono particolarmente soggette ad errori dovute ad interferenze e contaminazioni. Analizzare un campione di piccole dimensioni non è equivalente a determinare un analita presente in tracce in un campione di grandi dimensioni, anche se la quantità assoluta di analita può essere simile.

La precisione e l’accuratezza “accettabili” di un’analisi dipendono anche dalla frazione di analita nel campione: per analiti presenti in tracce ed ultratracce sono tollerate accuratezze e precisioni molto minori rispetto a quelle accettate per i costituenti principali di un campione.

Il campionamento Spesso il campione è troppo grande per potere essere analizzato completamente, oppure la procedura analitica è inserita in un processo produttivo ed ha la funzione di controllare le caratteristiche di una materia prima o del prodotto finito. In entrambi i casi è necessario prelevare una parte del campione per l’analisi mediante un campionamento. Il risultato finale del campionamento è il campione da laboratorio, dal quale vengono ottenute le aliquote per effettuare le analisi successive del medesimo campione, in modo da presentare alla fine un risultato medio. Il campionamento può essere diviso in due fasi distinte:

La procedura di campionamento rappresenta uno stadio chiave del processo analitico: è critica in particolare nel caso di materiali eterogenei in cui la composizione può variare da un punto all’altro. L’incertezza connessa all’operazione di campionamento, spesso compiuto al di fuori del laboratorio, concorre infatti a determinare l’incertezza complessiva dell’analisi. Se l’incertezza sul campionamento è elevata, la misura non sarà accurata indipendentemente dalla precisione del metodo analitico utilizzato, poiché sarà l’incertezza sul campionamento a determinare l’incertezza complessiva dell’analisi. In tal caso non è vantaggioso investire risorse nella messa a punto di un metodo analitico più preciso poiché il miglioramento dell’incertezza dell’analisi non si riflette in un parallelo miglioramento dell’incertezza totale. All’opposto metodi meno precisi ma più veloci ed economici potrebbero permettere l’analisi di un numero più elevato di campioni (migliorando quindi la deviazione standard della media). 1. Campione grossolano: la procedura comune per ottenere un campione grossolano è quella di prelevare un certo numero di aliquote del campione da analizzare (elementi di campionamento) selezionate in modo tale da garantire che il campione grossolano sia rappresentativo del materiale da analizzare nel suo complesso. Le procedure di campionamento vengono stabilite in funzione di: a. Quantità del materiale da analizzare b. Stato fisico del materiale da analizzare (solido, liquido, gassoso) c. Eterogeneità del materiale da analizzare (solido particolato, sospensione, soluzione) d.

Composizione chimica del materiale da analizzare (la procedura di campionamento non deve distruggere od alterare l’analita: ad esempio, il campionamento più richiedere operazioni di tipo meccanico nel caso in cui il campione da analizzare abbia una natura compatta).

I problemi maggiori si incontrano ovviamente nel caso di materiali da analizzare solidi e di grandi dimensioni, caratterizzati da un elevato grado di eterogeneità Campionamento di solidi: ad esempio per l’analisi di un terreno, la superficie viene divisa in una griglia e si effettuano prelievi in tutti i punti significativi della griglia, a distanze regolari Campionamento di liquidi: il campionamento dei liquidi presenta minori problemi, anche se su grande scala l’approccio è simile a quello utilizzato per i solidi. La situazione è più complessa per le sospensioni, se nel campione devono venire inclusi anche i solidi: se le particelle della sospensione sono presenti in piccolo numero, è difficile ottenere un’aliquota rappresentativa del campione nel suo complesso

Campionamento di gas: I campioni gassosi tendono ad essere relativamente omogenei, e quindi il prelievo è relativamente semplice. Le specie gassose che si vogliono analizzare possono però essere concentrate in piccoli volumi (preconcentrazione) durante il prelievo mediante una delle seguenti procedure: Condensazione: prelievo mediante passaggio allo stato liquido o solido per raffreddamento Intrappolamento: durante il prelievo l’analita viene legato chimicamente in una soluzione o su un solido mediante una opportuna reazione chimica (es. CO2(g) + NaOH → Na2CO3) • Adsorbimento: l’analita viene legato fisicamente sulla superficie di un adeguato materiale solido adsorbente (es. carbone attivo) 2 Campione da laboratorio: Pur essendo rappresentativo del campione nel suo complesso, il campione grossolano non è di solito omogeneo. In genere esso ha la dimensione minima necessaria per garantire che esso sia rappresentativo del campione originale, quindi non è possibile prelevare direttamente le aliquote per l’analisi. Prima dell’analisi esso deve essere reso omogeneo, in modo che ogni sua aliquota abbia la stessa composizione. L’operazione può consistere in una semplice agitazione (soluzioni, sospensioni) o implicare procedimenti meccanici (frantumazione, macinazione, miscelazione della polvere risultante) per la riduzione delle dimensioni delle particelle. Queste operazioni possono però alterare la composizione del campione: - Perdita di componenti volatili in conseguenza del riscaldamento derivante dalla macinazione - Variazioni dello stato di ossidazione dell’analita od altre trasformazioni legate al contatto con l’aria - Variazione del contenuto di acqua del campione Il campione non dovrebbe subire alterazioni nel tempo che intercorre fra il campionamento e l’analisi. I fenomeni di alterazione dipendono da un insieme di fattori (temperatura di conservazione, umidità, pH, contenuto di ossigeno, esposizione alla luce) oltre che dal tempo. Possono essere dovuti a: - Processi fisici (evaporazione, sublimazione, degradazione fotochimica…) - Processi chimici (reazioni con la matrice, ossidazione da parte dell’aria…) - Processi biologici (attività enzimatica, contaminazione microbica…) Atri fattori da tenere in considerazione, in particolare per basse concentrazioni di analita, sono le possibili interazioni con il contenitore del campione, deve essere scelto in funzione dell’analita (es. le materie plastiche possono adsorbire analiti apolari o poco polari, il vetro può rilasciare ioni metallici, adsorbire analiti polari o catalizzare reazioni di decomposizione). Per analiti relativamente instabili può essere necessario effettuare le analisi direttamente sul luogo del prelievo usando strumenti portatili (analisi in situ) o mediante strumenti on line che prelevano il campione ed eseguono direttamente l’analisi. • •

Il trattamento del campione -

Il trattamento del campione ha la funzione di convertire l’analita presente nel campione nella forma più adatta per l’analisi. L’analita si trova normalmente in una matrice dalla quale deve essere recuperato.

Nella maggioranza dei casi il procedimento analitico richiede che la specie da determinare sia in soluzione, quindi il campione deve venire decomposto (se l’analita non è presente in una forma immediatamente solubile) e quindi solubilizzato. L’operazione di trattamento del campione è spesso un’operazione critica per l’analisi nel suo complesso:

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Il trattamento del campione non deve comportare perdita di analita. Una perdita di analita può derivare sia da un processo di decomposizione o solubilizzazione incompleta che da perdite dovute a volatilizzazione, soprattutto in trattamenti ad alta temperatura. Il trattamento del campione non deve introdurre analita sotto forma di contaminante. I solventi ed i reagenti utilizzati nella preparazione del campione vengono impiegati in forte eccesso: se non vengono usati prodotti sufficientemente puri, questo può portare all’introduzione di quantità significative di analita, in particolare nel caso di analiti presenti in tracce. In trattamenti drastici, come la fusione, piccole quantità di analita possono anche derivare dall’attacco delle pareti del recipiente da parte dei reagenti utilizzati.

Esistono numerose tecniche di trattamento del campione: Decomposizione in recipiente aperto: prevede il trattamento del campione con un adatto reagente ed il riscaldamento fino alla sua completa dissoluzione. La temperatura del trattamento in genere coincide con la temperatura di ebollizione del reagente utilizzato.

Si possono utilizzare reattivi diversi a seconda della natura chimica del campione da trattare, come mostrato nella seguente tabella:

Decomposizione assistita da microonde: utilizza gli stessi reagenti impiegati nella decomposizione in recipiente aperto, ma risulta in genere molto più rapida grazie alla diversa modalità di riscaldamento, che permette un trasferimento di calore molto più rapido ed omogeneo. In questo caso le microonde prodotte da un apposito apparecchio di decomposizione (digestore) vengono assorbite dall’acqua e la vibrazione conseguente dei legami molecolari, per attrito, dissipa una grande quantità di calore.

Questi vantaggi vengono sfruttati nel modo migliore utilizzando recipienti per digestione sigillati, costruiti in materiali trasparenti alle microonde (vetro, materiale plastico). Durante l’impiego questi recipienti raggiungono pressioni elevate, che determinano un innalzamento delle temperature di ebollizione dei reagenti usati per la digestione.

Decomposizione per combustione: può venire utilizzata per campioni organici, e consiste nel riscaldamento del campione fino a completa conversione del materiale organico in anidride carbonica, seguita dall’analisi effettuata sui componenti non volatili rimasti. Siccome la combustione all’aperto può portare facilmente a perdite di materiale, vengono in genere preferiti trattamenti effettuati in ambiente chiuso, in presenza di ossigeno per facilitare la combustione e di un opportuno solvente che assorbe i prodotti di reazione prima dell’analisi. Anche l’analisi elementare di un composto organico (determinazion...