ESERCITAZIONI DI LABORATORIO PER IL CORSO DI BIOSENSORI A.A. 2017/2018

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1 ESERCITAZIONI DI LABORATORIO PER IL CORSO DI BIOSENSORI A.A. 2017/2018 Esercitazione 2 misure di ph Andrea Spanu, PhD Fondazione Bruno Kessler Università di Cagliari

2 Soluzioni Concetti base Si definisce soluzione una miscela omogenea di 2 o più componenti occupanti la stessa fase. Una soluzione può essere in: Fase solida (leghe metalliche) Fase liquida (gas + liquido, liquido + liquido, solido + liquido) Fase gassosa (miscela gassosa) In una soluzione in fase liquida distinguiamo: Solvente (componente liquido più abbondante) Soluto (uno o più componenti minori)

3 Soluzioni Concetti base Le soluzioni acquose sono un caso particolare delle soluzioni in fase liquida: Il solvente è H 2 O I soluti possono essere divisi in due classi: Elettroliti (NaCl, HCl, H 2 SO 4 ) Non elettroliti (glucosio, amido, etanolo )

4 Unità di concentrazione [1/3] Le proprietà delle soluzioni dipendono dalle quantità relative delle sostanze che le compongono. Bisogna specificare quantitativamente la composizione di una certa soluzione. La CONCENTRAZIONE di una soluzione esprime la composizione quantitativa di quella soluzione. Le unità di concentrazione possono essere divise in due gruppi Basato sul rapporto tra peso del soluto e peso del solvente o della soluzione Indipendente da T Basato sul rapporto tra peso del soluto e volume della soluzione Dipendente da T Percentuale in peso Frazione molare Molalità Molarità Normalità Percentuale in Volume

5 Unità di concentrazione [2/3] Composizione percentuale in volume (%)v = g di soluto in 100ml di soluzione Molarità: Moli (n) di soluto contenute in 1 l di soluzione: M = n V = g MM V ' Es.: 1 mole di soluto in 1l di soluzione à soluzione 1M 0.5 moli di soluto in 1l di soluzione à soluzione 0.5M 0.5 moli di soluto in 0.5 l di soluzione à soluzione 1M Il peso molecolare o massa molecolare (MM) è l equivalente in g di una mole di sostanza: HCl à g/mol H 2 O 2 à g/mol NaOH à g/mol Normalità Numero di equivalenti (n eq ) di soluto contenuti in 1l di soluzione: N = n )* V ' = g PE V ' Il peso equivalente (P.E.) di una sostanza dipende dalla reazione che si considera: P.E. di un acido: PM/numero H + dissociabili P.E. di una base: PM/n. OH - dissociabili HCl à H 2 O 2 à NaOH à Composizione percentuale in peso (%)p = g di soluto in 100g di soluzione

6 ph concetti base Il termine ph è la contrazione di potential of Hydrogen ph = -log 10 [H 3 O + ] La notazione logaritmica è utilizzata per esprimere numeri molto grandi/piccoli in maniera semplice e veloce Es.: Autoionizzazione dell acqua k W = [H 3 O + ][OH - ]= 1x10-14 [H 3 O + ] = [OH - ] = 1x10-7 pk w = -log 10 k w = 14 ph = poh = -log 10 [H 3 O + ] = -log 10 [OH - ] = 7

7 ph concetti base

8 ph e metabolismo cellulare Neuroingegneria Farmacologia Ingegneria Tissutale Controllo vitalità cellulare Realizzazione di nuovi biosensori

9 Dispositivi a semiconduttore per misure di ph: l ISFET VFBISFET = VFBMOSFET + Eref + ϕ ij + χ e + ϕ eo φ M

10 L elettrodo a vetro [1/5] Approccio potenziometrico (l elettrodo a vetro non è altro che un voltmetro molto preciso) ATTENZIONE: i moderni elettrodi a vetro sono, di fatto dispositivi, non singoli elettrodi (elettrodi a vetro COMBINATI)! Misura dell attività dello ione idronio ([H 3 O + ]) La parte sensibile è costituita dalla parte finale del dispositivo, cioè un bulbo di vetro dalle pareti sottilissime (spessore circa 0.1 mm) sigillato al tubo di vetro (spesso). Il tutto è riempito da una soluzione di HCl (alla concentrazione di 0.1 M) Elettrodo Ag/AgCl sigillato all interno del tubo di vetro

11 L elettrodo a vetro [2/5] ph Combination electrode Protonation of sylanol groups at the glass surface Si-O- + H 3 O+ Si-O-H+ + H 2 O

12 L elettrodo a vetro [3/5] La parte attiva dell elettrodo è la piccola bolla di vetro alla fine. Mentre il tubo è composto da un vetro spesso, la parte finale è volutamente fabbricata più sottile possibile (< 0.1 mm). La superficie del vetro è protonata sia dalla soluzione interna che da quella esterna fino a che il sistema non raggiunge l equilibrio. Entrambe le parti della bolla si caricano in virtù dell assorbimento di protoni e questo determina una differenza di potenziale tra interno ed esterno. Questa differenza di potenziale è descritta dall equazione di Nernst ed è direttamente proporzionale alla differenza di ph tra le due soluzioni (quella interna - di riferimento - e quella di misura).

13 L elettrodo a vetro [5/5] Ovviamente il circuito tra soluzione interna ed esterna deve essere chiuso, facendo però in modo che le due soluzioni non si cross-contaminino. Quindi le due soluzioni sono contemporaneamente connesse e isolate? Per ottenere ciò, si utilizza un piccolo foro nella parete dell elettrodo al cui interno è presente un setto poroso ceramico (in versioni più vecchie si utilizzava l asbesto ). In questo modo la soluzione interna di fatto scorre molto (molto!) lentamente attraverso il setto, chiudendo di fatto il circuito. Per rendere questo processo ancora più lento (e aumentare così la vita dell elettrodo stesso) alcuni elettrodi utilizzano elettroliti gel.

14 L elettrodo a vetro [4/5] E.'/00 )')23456) = E 7 + RT 2.303F log ( H EF0E6) G ) G H 5H30E6) Nel caso di elettrodo di riferimento in Ag/AgCl: E 7 = 0.23 V ± C (misurato rispetto all elettrodo a idrogeno standard) E.'/00 )')23456) = E ph 5H30E6) ph EF0E6) E.'/00 )')23456) = E pH 5H30E6) QR S.T7TU = a T = 25 C

15 ESERCITAZIONE N.2 Utilizzo di un ph-meter e derivazione concentrazione soluzioni 2.1 Identificazione componenti elettrodo a vetro 2.2 Calibrazione ph-meter 2.3 Misura del ph di una soluzione di NaOH e calcolo concentrazione (num moli, molarità e grammi di sostanza) 2.4 Misura del ph di una soluzione di HCl e calcolo concentrazione (num moli, molarità, grammi di sostanza, ml di sostanza) Materiale necessario ph-meter Agitatore magnetico Beaker (o Becher, o Beker!) (uno per la soluzione acida, uno per quella basica e uno per i rifiuti) e cilindro in borosilicato per la misura precisa dei volumi Guanti Occhiali protettivi Soluzioni buffer di calibrazione (ph 7 e 4) Soluzione NaOH (200 ml) Soluzione HCl (200 ml)

16 Esercitazione 2.0 Calibrazione ph-meter con soluzioni buffer a ph 7 e 4 a) Posizionare il magnetino dentro la soluzione buffer a ph 7 e mettere in agitazione b) Immergere l elettrodo di vetro facendo attenzione che il setto poroso sia ben immerso c) Far partire la calibrazione e attendere d) Sciacquare l elettrodo accuratamente con acqua deionizzata e) Asciugare CON MOLTA DELICATEZZA l elettrodo f) Ripetere dal punto a) con la soluzione a ph 4

17 Esercitazione 2.1 Materiale di partenza (MP): Pellet di Idrossido di sodio NaOH a) Misurare 200 ml di soluzione NaOH con il cilindro graduato b) Trasferire il liquido nel beaker di misura c) Inserire all interno il magnetino e mettere in agitazione d) Inserire l elettrodo e misurare il ph (lasciare stabilizzare per 2 min) e) Sciacquare e asciugare attentamente l elettrodo ph misurato molarità #mol g del MP

18 Es Dati necessari allo svolgimento a) Relazione ph Molarità: [H + ]=10 -ph Mol/l b) Volume soluzione misurata: 250 ml c) Massa Molecolare (MM) NaOH: 40 g/mol

19 Esercitazione 2.2 HCl a) Misurare 200 ml di soluzione di HCl con il cilindro graduato b) Trasferire il liquido nel beaker di misura c) Inserire all interno il magnetino e mettere in agitazione d) Inserire l elettrodo e misurare il ph (lasciare stabilizzare per 2 min) e) Sciacquare e asciugare attentamente l elettrodo Materiale di partenza (MP): Soluzione HCL al 37% in peso in acqua deionizzata (dunque 100 g di quella soluzione contengono 37 g di HCl e 63 g di H 2 O) ph misurato molarità #mol g del MP ml del MP

20 Es Dati necessari allo svolgimento a) Relazione ph Molarità: [H + ]=10 -ph Mol/l b) Volume soluzione misurata: 250 ml c) Massa Molecolare (MM) HCl: g/mol d) Densità HCl: g/ml e) Densità acqua deionizzata: 1 g/ml f) Ricordare che la soluzione di partenza è al 37% in peso di HCl in H 2 O

21 Esercitazione 2.1 Svolgimento Partendo dalla misura di ph, e sapendo cosa contiene la soluzione, ricavarsi i grammi ph=-log[h + ] [H + ]=10 -ph Quello che si ottiene è il valore molare (cioè mol/l) Conoscendo il volume e la massa molecolare (MM) della sostanza di può calcolare facilmente la quantità in grammi dell acido/base utilizzato: Molarità = #mol/l à #mol = Molarità*Là #mol = g/mm à g=#mol*mm MM HCl= 36,46 g/mol densità HCl: g/ml densità acqua: 1 g/l MM NaOH= 39,997 g/mol

22 Esercitazione 2.1 Svolgimento Partendo dalla misura di ph, e sapendo cosa contiene la soluzione, ricavarsi i grammi ph=-log[h + ] [H + ]=10 -ph Quello che si ottiene è il valore molare (cioè mol/l) Conoscendo il volume e la massa molecolare (MM) della sostanza di può calcolare facilmente la quantità in grammi dell acido/base utilizzato: Molarità = #mol/l à #mol = Molarità*Là #mol = g/mm à g=#mol*mm MM HCl= 36,46 g/mol densità HCl: 1.2 g/ml densità acqua: 1 g/l MM NaOH= 39,997 g/mol

23 Esercitazione 2.2 Svolgimento Partendo dalla misura di ph, e sapendo cosa contiene la soluzione, ricavarsi i grammi ph=-log[h + ] [H + ]=10 -ph Quello che si ottiene è il valore molare (cioè mol/l) Conoscendo il volume e la massa molecolare (MM) della sostanza di può calcolare facilmente la quantità in grammi dell acido/base utilizzato: Molarità = #mol/l à #mol = Molarità*Là #mol = g/mm à g=#mol*mm Dai grammi di HCl ricavare i grammi di soluzione al 37 % tramite la relazione g HCl :37=g TOT :100 Ricavare i ml di HCl e quelli di acqua deionizzata utilizzando le densità e i grammi