Corso di Chimica Analitica

1. Corso di Chimica Analitica

2. Orario del corso

3. Orario del corso

4. Sede dei laboratori ITIS-IPIA "F. Alberghetti"Via Pio IX, 3

5. Contenuto del corso/1 • Introduzione alla chimica analitica. • La Chimica Analitica nelle Scienze Farmaceutiche • Obiettivi e metodologia della chimica analitica • Il processo analitico: fondamenti e terminologia. • Campione e campionamento. • Chimica analitica quantitativa. Taratura e calibrazione. • Caratteristiche fondamentali di un metodo analitico. • Qualità del risultato in chimica analitica.

6. Contenuto del corso/2 • Il laboratorio di chimica analitica • Conoscenza e corretto uso della strumentazione analitica • Bilance tecniche e analitiche. • Vetreria tarata e graduata. • Qualità del dato analitico: • Precisione e accuratezza. • Tipi di errori. • Espressione del risultato analitico • Cifre significative e arrotondamenti. • Espressione degli errori e dell’incertezza. • In laboratorio: Taratura della strumentazione analitica

7. Contenuto del corso/3 Equilibri chimici in soluzione. Metodi quantitativi volumetrici: Titolazioni Titolazioni di neutralizzazione. In laboratorio: Determinazione del grado di acidità dell’aceto Titolazioni con formazione di complessi. In laboratorio: Determinazione della durezza dell’acqua di rete Chimica analitica strumentale. Fondamenti di spettrofotometria. In laboratorio: Determinazione spettrofotometrica del Ferro

8. Contenuto del corso/4 • Le esercitazioni di laboratorio serviranno a: • Comprendere e applicare le norme di sicurezza in laboratorio. • Prendere confidenza con la vetreria e la strumentazione. • Imparare ad applicare semplici protocolli di laboratorio. • Approfondire alcuni argomenti del corso di chimica analitica. • Prepararvi ad affrontare i laboratori degli anni successivi. • Comunicare i risultati del lavoro di laboratorio. • Annotare procedure e risultati. Il quaderno di laboratorio. • Condividere e comunicare i propri risultati. Relazioni sulle esercitazioni.

9. Relazioni di laboratorio • Al termine del laboratorio ciascuno studente dovrà consegnare una relazione scritta sulle esperienze svolte. • La struttura e il contenuto delle relazioni verranno discusse in aula con modelli ed esempi. • Le relazioni sono personali (ciascuno studente è responsabile della propria relazione) ma possono essere consegnate relazioni uguali per uno stesso gruppo. • Le relazioni dovranno essere consegnate in forma di file (di tipo pdf, doc, docx o OpenOffice) entro il 20 maggio 2011 per chi vuole sostenere l’esame nella sessione estiva.Per tutti la scadenza è il 31 maggio. • La consegna delle relazioni è necessaria per l’acquisizione della firma di frequenza.

10. Iscrizione al laboratorio • Gli studenti che intendono frequentare il laboratorio devono: • Comunicare il proprio nominativo entro lunedi’ 7 marzo • Organizzare i gruppi di lavoro (di 2 persone) • Comunicare la preferenza del gruppo per il turno A, B o C • Per accedere ai laboratori, dovrete: • Avere assistito alla lezione sulla sicurezza (ven 4 marzo ore 14) • Avere letto con attenzione le norme di sicurezza che saranno distribuite • 3. Indossare un camice (proprio) e gli altri presidi di sicurezza (occhiali, guanti) che saranno distribuiti. • 4. Prendere in consegna il materiale di laboratorio (valigetta).

11. Modalità dell’esame • Date ufficiali di esame sessione estiva 2011: 20 giu – 11 lug • Sede dell’esame. Imola (nelle date ufficiali) o Bologna (in date da concordare con il docente) • L’esame si svolgerà in forma orale, con domande sugli argomenti generali del corso e sulle esperienze di laboratorio • La valutazione delle relazioni di laboratorio vi sarà comunicata prima dell’esame. Tale valutazione contribuirà a determinare il voto finale. • Per l’iscrizione all’esame saranno disponibili le liste AlmaEsami. Potrete sostenere l’esame in ordine di iscrizione alla lista, nella data dell’appello o in date successive compatibilmente con il numero di iscritti.

12. Testi consigliati Testi/Bibliografia: - Lucidi delle lezioni prelevabili dal sito: http://scienzeanalitiche.ciam.unibo.it/teaching/ - Chimica Analitica Quantitativa, Daniel C. Harris (Zanichelli Editore). • Fondamenti di Chimica Analitica D.A. Skoog, D.M. West, F.J. Holler (EdiSES, 1998, Napoli). • Chimica Analitica: una Introduzione, D.A. Skoog, D.M. West, F.J. Holler (EdiSES). - Elementi di Chimica Analitica, Daniel C. Harris (Zanichelli Editore). - Chimica Analitica, teoria e pratica, F.W. Fifield, D. Kealey (Zanichelli Editore).

13. Ricevimento e Contatti Ricevimento su appuntamento: a Imola prima o dopo le lezioni. Dipartimento di Chimica “G. Ciamician” Via Selmi, 2 - Bologna Tel. 051 2099581 e.mail: andrea.zattoni@unibo.it. Link altre eventuali informazioni: Pagina web docente: http://www.unibo.it/docenti/andrea.zattoni Materiale didattico: http://scienzeanalitiche.ciam.unibo.it/teaching/

14. La Chimica Analitica La Chimica Analitica, l’arte di identificare sostanze diverse e di determinare i loro costituenti, riveste un ruolo di primo piano fra le applicazioni della scienza, in quanto ci permette di rispondere alle domande che sorgono ogni volta che un processo chimico è impiegato a scopi scientifici o tecnologici

15. Applicazioni della chimica analitica • Analisi di aria, acqua, suolo • Determinazione di inquinanti nell’aria (PM10, ozono) • Determinazione degli inquinanti nel ciclo dell’acqua (piogge acide) • Determinazione di sostanze tossiche nei suoli • Tutela della salute umana e dell’ambiente Chimica analitica dell’ambiente Qualità + sicurezza = salute

16. Applicazioni della chimica analitica • Analisi di prodotti agroalimentari, cibi, bevande, acqua • Determinazione di sostanze tossiche (contaminanti, pesticidi, allergeni) • Determinazione del valore nutrizionale (vitamine, antiossidanti) • Attestazione di origine delle materie prime (oli, vino, prodotti tipici) • Repressione di frodi e tutela della salute Chimica analitica degli alimenti Qualità + sicurezza = salute

17. Applicazioni della chimica analitica • Analisi di farmaci naturali e di sintesi, campioni biologici • Determinazione del contenuto di principio attivo in prodotti naturali • Controllo di qualità delle formulazioni farmaceutiche (impurezze) • Analisi di fluidi biologici per studiare il metabolismo dei farmaci Chimica analitica farmaceutica Qualità + sicurezza = salute

18. Applicazioni della chimica analitica • Analisi di sangue, urine, tessuti, respiro • Diagnosi precoce di patologie • Monitoraggio dell’efficacia delle terapie • Analisi di controllo di patologie croniche (diabete, ipertensione) Chimica analitica clinica Prevenzione + diagnosi = salute

19. Applicazioni della chimica analitica • Analisi di aria, acqua, suolo • Perizie legali su prodotti industriali • Analisi medico-legali • Analisi sulla scena del crimine • Antidoping Chimica analitica forense Chi è l’assassino?

20. IL PROCESSO ANALITICO Chi è l’assassino? Interpretazione di un problema analitico Spesso chi si rivolge a un chimico analitico ha un problema che non è in grado di formulare in termini scientifici. Il ruolo del chimico analitico consiste in: • Formalizzare il problema in termini “scientifici” • Decidere la strategia migliore per risolvere il problema • Eseguire tutte le operazioni necessarie ad arrivare alla soluzione • Comunicare il risultato in termini comprensibili a chi ha posto il problema.

21. IL PROCESSO ANALITICO Che cosa o quanto? La risposta a un problema chimico-analitico può essere sempre formalizzata in termini di: Analisi qualitativa: il problema ci chiede se una o più specie chimiche sono presenti in un certo campione. La domanda potrebbe anche essere “Di quali specie è composto un certo campione?”, ma la risposta in questo caso è quasi sempre troppo complessa. Analisi quantitativa: il problema ci chiede la quantità (in assoluto, o rispetto ad altri componenti) di una specie nel campione

22. IL PROCESSO ANALITICO Campione e analita Per cominciare ad esprimere in termini scientificamente corretti il problema, è necessario utilizzare i termini corretti: Campione: è il materiale che deve essere analizzato. Può essere consegnato all’analista o prelevato “sul campo” dall’analista e portato in laboratorio Analita: è la specie di cui si vuole determinare la presenza (in analisi qualitativa) o la quantità (in analisi quantitativa) in un certo campione. Matrice: tutto ciò che è contenuto nel campione, tranne l’analita.

23. IL PROCESSO ANALITICO Analisi e determinazione Due termini che nel linguaggio comune sono spesso usati come sinonimi, in chimica analitica hanno significati diversi: Analisi: è il processo a cui il campione viene sottoposto per rispondere ad un certo problema analitico (ad es. si fa l’analisi del sangue per il dosaggio del colesterolo) Determinazione: è il processo attraverso il quale viene misurata la quantità o la concentrazione dell’analita(ad es. di determina la quantità di nitriti nell’acqua potabile) Dosaggio: sinonimo di determinazione, usato soprattutto in analisi clinica e farmaceutica.

24. IL PROCESSO ANALITICO Esempio: dosaggio del colesterolo nel sangue Determinazione del colesterolo Analisi del sangue Colesterolo = ANALITA Sangue = CAMPIONE Sangue (escluso il colesterolo) = MATRICE

25. IL PROCESSO ANALITICO I passaggi comuni nell’analisi chimica In tutti i processi analitici è possibile individuare una serie di passaggi comuni: 1) Formulare la domanda: tradurre domande generiche in domande specifiche che possano trovare risposta mediante misurazioni chimiche. Ad es. identificare analita, campione e matrice. 2) Scegliere le procedure analitiche: cercare nella letteratura chimica e procedure più appropriate, oppure idearne di nuove per effettuare le misurazioni richieste. 3) Campionare: scegliere una porzione rappresentativa del materiale oggetto dell’analisi, su cui eseguire le misurazioni

26. IL PROCESSO ANALITICO I passaggi comuni nell’analisi chimica 4) Preparare il campione: trasformare il campione che abbiamo scelto come rappresentativo in una forma idonea per l’analisi chimica. 5) Analizzare il campione: misurare l’analita in più aliquote identiche del campione, applicando il metodo scelto. Si ottengono così misure ripetute della grandezza che vogliamo determinare. 6) Elaborare i risultati: valutare mediante gli strumenti della statistica i risultati ottenuti, in modo da ottenere la risposta “statisticamente” corretta alla domanda analitica 7) Riportare i dati: produrre un resoconto scritto sui risultati ottenuti, che sia comprensibile a chi ci ha posto il problema

27. IL PROCESSO ANALITICO - GENERALITA’ 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. Procedura sperimentale Possibile origine di errore Materiale grezzo da analizzare Campione da laboratorio Campione pronto per l’analisi Risultato finale Il campione da laboratorio è rappresentativo del materiale grezzo da analizzare? Campionamento L’analita è stato recuperato completamente? Trattamento del campione Sono stati eliminati tutti i componenti del campione che possono interferire nell’analisi? Il metodo analitico è accurato? Analisi

28. IL PROCESSO ANALITICOCAMPIONAMENTO 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 in replicato. In generale, un’operazione di campionamento può essere divisa in due fasi distinte: Materiale grezzo da analizzare Campione grossolano Campione da laboratorio Prelievo di una serie di porzioni (che potrebbero avere composizione differente) selezionate in modo da ottenere un campione grossolano di dimensione adeguata e rappresentativo del materiale da analizzare. Trattamento del campione grossolano per ottenere un campione da laboratorio tale che ogni sua aliquota abbia la stessa composizione (campione omogeneo).

29. IL PROCESSO ANALITICOCAMPIONE 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: Quantità del materiale da analizzare Stato fisico del materiale da analizzare (solido, liquido, gassoso…) Eterogeneità del materiale da analizzare (solido particolato, sospensione, soluzione…) 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.

30. IL PROCESSO ANALITICOCAMPIONAMENTO DI SOLIDI Terreno di tipo “A” (80% dell’area totale) Terreno di tipo “B” (20% dell’area totale) Griglia di campionamento I punti di prelievo dei campioni vengono selezionati casualmente sulla griglia, in modo che l’80% cada nel terreno di tipo “A” ed il 20% nel terreno di tipo “B”. “Randomizzazione”

31. IL PROCESSO ANALITICOCAMPIONAMENTO DI LIQUIDI E GAS 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. 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 prelievol’analita viene legatochimicamente in una soluzione o su un solido mediante una opportuna reazione chimica (es. CO2(g) + NaOH  Na2CO3) Adsorbimento: l’analita viene legatofisicamentesulla superficie di un adeguato materiale solido adsorbente (es. carbone attivo)

32. L’analisi chimica L’analista chimico ha a disposizione in laboratorio un’ampia serie di strumenti che gli permettono di applicare ai campioni il metodo analitico che ha scelto. La conoscenza, l’uso corretto e la manutenzione della strumentazione di laboratorio sono fondamentali per ottenere risultati di qualità Strumentazione di laboratorio

33. L’analisi chimica In base alla funzione, la strumentazione di laboratorio si può suddividere in: Strumentazione per il trattamento del campione (conservazione, trasferimento, mescolamento, ecc). Strumentazione per la misurazione del campione (volume, massa, temperatura, pH, ecc.) Strumentazione di laboratorio

34. L’analisi chimica Con il termine generico “vetreria” si indica un’ampia classe di strumentazione in vetro sia per il trattamento che per la misurazione del campione. Il vetro è un materiale facilmente lavorabile, poco costoso, chimicamente inerte, facilmente lavabile e resistente alla temperatura (vetro Pirex). La sua fragilità meccanica richiede cautela da parte dell’operatore (uso di guanti, occhiali). Vetreria di laboratorio

35. L’analisi chimica Becker (bicchiere) Vetreria per il trattamento del campione • E’ un recipiente per la raccolta, il trasferimento e la pesata di liquidi o solidi. • Se è in vetro Pirex può essere usato per scaldare e bollire soluzioni acquose. • Riporta una scala di volume approssimativa, ma non è uno strumento di misurazione • Essendo aperto, non è adatto alla conservazione di soluzioni

36. L’analisi chimica Beuta Vetreria per il trattamento del campione • Ha caratteristiche simili al becker, ma la forma conica permette di agitare le soluzioni riducendo il rischio di fuoriuscite • Può essere tappata con tappi di gomma per la conservazione di soluzioni.

37. L’analisi chimica Vetrino da orologio Vetreria per il trattamento del campione • E’ un recipiente aperto per la pesata di solidi o piccole quantità di liquidi. • Per evitare dispersioni o evaporazione il materiale pesato va trasferito il prima possibile dal vetrino a un recipiente adatto, aiutandosi con una spatola o con un liquido

38. L’analisi chimica Contagocce o pipetta Pasteur Vetreria per il trattamento del campione • E’ un contagocce composto di uno stelo di vetro e una “tettarella” di gomma. • Serve a erogare liquidi goccia a goccia. • Lo stelo di vetro è particolarmente fragile, quindi vanno maneggiate con cautela.

39. L’analisi chimica Spruzzetta Vetreria per il trattamento del campione • E’ un recipiente in plastica per conservare ed erogare solventi (acqua, etanolo, acetone, …) • Il sistema a sifone serve ad erogare comodamente il liquido evitando l’evaporazione • Non è uno strumento di erogazione preciso, quindi non va usata per l’erogazione di quantità esatte di liquido (va usata la Pasteur)

40. L’analisi chimica TarataGraduata Vetreria per la misurazione di volumi • E’ adatta al prelievo e all’erogazione di un solo specifico volume di liquido. • E’ la più precisa e accurata. • Ad es. una pipetta tarata da 1 mL serve solo a prelevare ed erogare 1 mL di liquido • Riporta una scala graduata che permette di prelevare ed erogare volumi di liquido in un certo intervallo. • E’ meno accurata e precisa ma più versatile. • Ad es. una pipetta graduata da 1 mL può prelevare e erogare volumi da 0,01 mL a 1 mL, a intervalli di 0,01 mL

41. L’analisi chimica Matraccio o pallone Vetreria tarata • E’ una bottiglia con tappo, che riporta sul collo una tacca che indica il raggiungimento del volume nominale. • Serve a preparare soluzioni a concentrazione esattamente nota, ad agitarle e a conservarle grazie al tappo (in plastica o vetro smerigliato) che ha una buona tenuta. Tacca di taratura

42. L’analisi chimica Pipetta tarata Tacca di taratura Vetreria tarata • E’ uno strumento che serve a erogare un solo volume di liquido, normalmente più piccolo rispetto al matraccio. • Riporta sullo stelo una o due tacche di taratura. • Per erogare il volume nominale, la pipetta va riempita fino alla tacca superiore, poi svuotata completamente (pipette a 1 tacca) o fino alla tacca inferiore (pipette a 2 tacche) Tacche di taratura

43. L’analisi chimica Portare a volume Vetreria tarata 1 “Menisco” • Quando riempie un tubo sottile (collo del matraccio o stelo della pipetta), la superficie del liquido assume una forma incurvata (menisco). La parte inferiore del menisco va fatta coincidere con la tacca di taratura. • Si può eseguire questa operazione sia osservando la tacca al suo livello (1), oppure leggermente dall’alto (2). Il secondo metodo è più accurato e preciso tacca 2 “Menisco” tacca

44. L’analisi chimica Pipetta graduata Vetreria graduata • Serve a erogare diversi volumi di liquido, leggibili su una scala graduata. • Essendo meno accurate delle pipette tarate, è preferibile utilizzarle solo per prelevare volumi di liquido di cui non è critico conoscere l’esatto valore • Alcune pipette sono dotate di un pistone per aspirare il liquido, altre devono essere utilizzate in combinazione con una propipetta.

45. L’analisi chimica Propipetta Erogazione di liquido da una pipetta A • E’ un dispositivo in gomma che, montato all’estremità superiore della pipetta, serve ad aspirare ed erogare i liquidi. • Presenta tre valvole (A, S, E): • Si svuota l’aria dall’ampolla tenendo premuta la valvola A • Si aspira il liquido nella pipetta tenedo premuta la valvola S, facendo attenzione a non fare arrivare il liquido alla propipetta • Si eroga il liquido tenendo premuta la valvola E S E Attacco per la pipetta

46. L’analisi chimica Micropipetta automatica • E’ una pipetta a siringa per l’erogazione di piccoli volumi (0.001 – 1 mL) • E’ dotata di una ghiera e di una scala graduata per impostare il volume prelevato. • Il puntale che entra in contatto con il liquido e’ sostituibile quando si cambia tipo di soluzione • Sono più accurate delle pipette graduate, ma è necessaria una certa manualità per utilizzarle correttamente.

47. L’analisi chimica Cilindro graduato Vetreria graduata • Serve a misurare volumi su scale graduate che vanno da qualche millilitro ad qualche litro, con precisione paragonabile alle pipette graduate

48. L’analisi chimica Buretta Vetreria graduata • E’ una pipetta graduata dotata di rubinetto, usata per dispensare quantità accuratamente note di liquido • Si usa caricandola dall’alto (con imbuto e becker) e misurando il volume erogato come differenza fra volume iniziale e finale. • Per una misurazione accurata occorre evitare che nella parte inferiore dello stelo rimangano intrappolate bolle d’aria

49. L’analisi chimica Lettura della buretta Vetreria graduata • Sulla parte posteriore dello stelo è disegnata una striscia colorata (blu), che facilita la lettura del volume. • In corrispondenza del menisco la rifrazione rende visibile una doppia freccia, in corrispondenza della quale si legge la scala graduata. • Per evitare errori di parallasse va controllata l’altezza a cui si esegue la lettura.

50. L’analisi chimica Taratura della strumentazione • La taratura è una serie di operazioni che servono a verificare le caratteristiche e il corretto funzionamento di uno strumento di misurazione • La taratura si esegue confrontando i risultati ottenuti con lo strumento da tarare con quelli ottenuti con un altro strumento che si ritiene affidabile. • Nel caso della vetreria di laboratorio, la taratura consiste nel verificare che il volume di liquido effettivamente erogato o prelevato coincida con quello nominale, entro i limiti della tolleranza dello strumento. • Questa verifica si esegue misurando la massadel liquido