Fausta Palluotto Appunti di Chimica analitica con esercitazioni numeriche

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3 Fausta Palluotto Appunti di Chimica analitica con esercitazioni numeriche Per il corso di laurea in Farmacia Prefazione di Roberto Perrone

4 Copyright MMXIV ARACNE editrice S.r.l. via Raffaele Garofalo, 133/A B Roma (06) ISBN I diritti di traduzione, di memorizzazione elettronica, di riproduzione e di adattamento anche parziale, con qualsiasi mezzo, sono riservati per tutti i Paesi. Non sono assolutamente consentite le fotocopie senza il permesso scritto dell Editore. I edizione: marzo 2014

5 A mia figlia Marta

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7 Indice Prefazione Introduzione Capitolo I - La chimica analitica Il significato di chimica analitica Stadi di un analisi chimica Le aree tradizionali di applicazione della chimica analitica La chimica analitica in ambito farmaceutico La chimica analitica tra presente e futuro Capitolo II - Le più classiche attrezzature e le norme di comportamento in laboratorio Introduzione Bilancia analitica Matracci tarati Pipette Burette Principali fonti di pericolo in laboratorio Norme generali di comportamento in laboratorio Pericolosità delle sostanze chimiche Capitolo III - Richiami introduttivi di matematica Notazioni esponenziali Logaritmi Unità SI La mole e il peso molare Capitolo IV - Valutazione dei dati analitici Gli errori nella chimica analitica Accuratezza Precisione Media Mediana Deviazione standard, varianza e coefficiente di variazione Distribuzione Gaussiana Intervallo di fiducia Modo di riportare i dati analitici Cifre significative Calcoli e cifre significative

8 8 8 Indice Indice Problemi Capitolo V - Soluzioni Definizione di soluzione Solubilità Modi di esprimere la concentrazione delle soluzioni Percentuale peso/peso Percentuale peso/volume Percentuale volume/volume Parti per milione e parti per miliardo Molarità Molalità Frazione molare Normalità Conversione tra diversi modi di esprimere la concentrazione Concentrazione di una soluzione ottenuta miscelando diverse soluzioni Preparazione di soluzioni Dissoluzione diretta del soluto nel solvente Diluizione di soluzioni concentrate Metodo del miscuglio o della croce Concentrazione di alcune soluzioni di interesse farmaceutico Soluzioni idroalcoliche Soluzioni acquose di perossido d idrogeno Diluizioni omeopatiche Preparazioni liquide per uso orale Problemi Capitolo VI - Equilibri chimici Costanti di equilibrio Costanti di equilibrio termodinamico Forza ionica Attività e coefficiente di attività Principio di Le Chatelier Capitolo VII - Equilibri acido-base Gli equilibri acido-base in chimica analitica Acidi e basi Anfoliti Autoprotolisi dell acqua Prodotto ionico dell acqua Il ph e il poh Forza degli acidi e delle basi Metodo sistematico per la risoluzione di problemi di equilibri multipli Acidi forti Il ph di acidi forti Il ph di acidi forti con il metodo sistematico

9 Indice Il ph di acidi forti con il metodo grafico Basi forti Il ph di basi forti Il ph di basi forti con il metodo sistematico Il ph di basi forti con il metodo grafico Acidi monoprotici deboli Costante di dissociazione acida Il ph di acidi monoprotici deboli Il ph di acidi monoprotici deboli con il metodo sistematico Grado di dissociazione di acidi monoprotici deboli Basi monofunzionali deboli Costante di dissociazione basica Relazione tra K a e K b Il ph di basi monofunzionali deboli Il ph di basi monofunzionali deboli con il metodo sistematico Sali ad idrolisi acida Il ph di sali ad idrolisi acida Il ph di sali ad idrolisi acida con il metodo sistematico Sali ad idrolisi basica Il ph di sali ad idrolisi basica Il ph di sali ad idrolisi basica con il metodo sistematico Acidi poliprotici Il ph di acidi poliprotici Il sistema acido carbonico-biossido di carbonio Il ph dell acido solforico Basi polifunzionali Il ph di basi polifunzionali Anfoliti Forme intermedie di acidi poliprotici Amminoacidi Soluzioni tampone Il ph di soluzioni tampone Effetto dell aggiunta di acidi o basi ad un tampone Potere tampone Preparazione di un tampone Tamponi di interesse farmaceutico Diagramma di composizione frazionaria /ph Equazioni di composizione frazionaria per sistemi monoprotici Equazioni di composizione frazionaria per sistemi poliprotici Grado di ionizzazione dei farmaci La solubilità dei farmaci ionizzabili in funzione del ph Il ph di miscele Il ph di una miscela acido forte-acido debole Il ph di una miscela base forte-base debole Il ph di soluzione da mescolamento acido forte - base forte Il ph di soluzione da mescolamento acido forte - base debole Il ph di soluzione da mescolamento base forte - acido debole Problemi

10 10 10 Indice Indice Capitolo VIII - Titolazioni volumetriche I diversi tipi di titolazione Le titolazioni volumetriche: i principi Soluzioni standard Calcoli volumetrici Problemi Capitolo IX - Titolazioni acido-base Le titolazioni acido-base: i principi Indicatori acido-base Preparazione di soluzioni standard acide Preparazione di soluzioni standard basiche Curve di titolazione Titolazione di un acido forte con una base forte Titolazione di una base forte con un acido forte Titolazione di un acido debole con una base forte Titolazione di una base debole con un acido forte Titolazioni in ambiente non acquoso Effetto livellante dell acqua Titolazioni con acido perclorico in acido acetico Titolazioni di composti di interesse farmaceutico Titolazione diretta acido debole con base forte in fase acquosa Titolazione diretta base debole con acido forte in fase acquosa Titolazioni indirette in fase acquosa Titolazioni in ambiente non acquoso Problemi Capitolo X - Equilibri di solubilità Gli equilibri di solubilità in chimica analitica Sali solubili e sali poco solubili Il prodotto di solubilità Calcolo della solubilità in acqua Effetto dei soluti indissociati sul calcolo della solubilità Fattori che influenzano la solubilità Variazione della temperatura Effetto dello ione a comune Effetto sale Effetto del ph Reazioni di precipitazione. Concentrazione di agente precipitante Separazione di ioni attraverso reazioni di precipitazione Idrossidi poco solubili Prodotto di solubilità di idrossidi poco solubili Solubilità a ph costante di idrossidi poco solubili Solubilità in acqua di idrossidi poco solubili ph di precipitazione di idrossidi poco solubili Separazione di ioni come idrossidi poco solubili Problemi

11 Indice 11 Capitolo XI - Titolazioni per precipitazione Le titolazioni per precipitazione: i principi Le titolazioni argentometriche Curve di titolazione argentometrica Indicatori per titolazioni argentometriche Metodo di Mohr (indicatore ione cromato) Metodo di Fajans (indicatori ad adsorbimento) Metodo di Volhard (indicatore Fe 3+ ) Problemi Capitolo XII - Equilibri di complessazione Gli equilibri di complessazione in chimica analitica Formazione di complessi Concentrazioni delle diverse specie e valori alfa La solubilità di sali poco solubili in presenza di agenti complessanti Destabilizzazione dei complessi per formazione di precipitati Gli idrossidi anfoteri Problemi Capitolo XIII - Titolazioni complessometriche Le titolazioni complessometriche: i principi L EDTA: proprietà acido-base Complessi dell EDTA con ioni metallici Curve di titolazione con EDTA Indicatori per titolazioni con EDTA Problemi Bibliografia Appendice 1. Tabelle Alcoolimetriche Appendice 2. Costanti di dissociazione acida a 25 C Appendice 3. Costanti prodotto di solubilità a 25 C Appendice 4. Costanti di formazione a 25 C Risposte a problemi selezionati Indice Analitico

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13 Prefazione Quale Direttore del Dipartimento di Farmacia-Scienze del Farmaco dell Università degli Studi di Bari, apprezzo molto l iniziativa lodevole della prof.ssa Fausta Palluotto che con la pubblicazione del testo Appunti di chimica analitica con esercitazioni numeriche dà un fattivo contributo all apprendimento da parte degli studenti del corso di laurea in Farmacia. Il Direttore Roberto Perrone 13

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15 Introduzione Questo libro deriva dalle dispense dell insegnamento di Chimica analitica con esercitazioni numeriche e di laboratorio che ho svolto presso l Università degli Studi di Bari per il corso di laurea in Tecniche Erboristiche negli anni e per il corso di laurea in Farmacia negli anni Esiste attualmente una vasta scelta di autorevoli trattati di chimica analitica di autori italiani e stranieri. Questo testo non ha le pretese di sostituirsi ad essi; nascendo come una semplice elaborazione descrittiva delle dispense del corso, può essere inteso come una raccolta di appunti ed esercizi di chimica analitica. Secondo l attuale curriculum di studi del corso di laurea in Farmacia, ai cui studenti è prevalentemente rivolto il testo, l insegnamento di chimica analitica si inserisce come tramite tra il corso di chimica generale di base e i corsi più specifici di analisi chimico-farmaceutica, nei quali sono trattati i metodi classici e strumentali per la valutazione quali-quantitativa dei prodotti farmaceutici. La stesura, caratterizzata dal linguaggio semplice di una dispensa universitaria, è articolata essenzialmente in due parti. La prima parte riporta nozioni di base indispensabili per la chimica analitica; in particolare sono trattate le espressioni delle concentrazioni di soluzioni e la valutazione statistica dei dati. Segue una trattazione estesa degli equilibri acido-base, di precipitazione, di complessazione; per ciascuno di essi vengono illustrati i principi e le applicazioni nell analisi quantitativa classica; viene riportato inoltre l approccio sistematico degli equilibri presenti simultaneamente in soluzione. Sono stati inseriti diversi 15

16 16 16 Introduzione esempi ed applicazioni in campo farmaceutico. Per tutti gli argomenti trattati sono presentati problemi con risoluzione. La parte teorica è stata condotta all essenziale a favore di esercitazioni numeriche che rendano facilmente accessibili gli stessi approcci teorici. Spero che questa raccolta di appunti ed esercizi possa fornire agli studenti un ausilio per la parte applicativa e numerica della chimica di base e per lo studio dei fondamenti della chimica analitica classica. Mi scuso in anticipo per eventuali errori nella stesura e sarò grata a coloro che vorranno far pervenire correzioni e suggerimenti. I testi autorevoli che costituiscono la bibliografia e hanno ispirato la mia modesta scrittura sono riportati alla fine del libro. L autore

17 Capitolo I - La chimica analitica 1.1. Il significato di chimica analitica La chimica analitica è una disciplina di origine antichissima, ma in continua e rapida evoluzione, che studia metodi, strumenti e strategie per conoscere la composizione e la struttura della materia. La chimica analitica si occupa delle analisi chimiche. Un processo di analisi di un campione può essere qualitativo, ossia avere come o- biettivo l identificazione dei suoi componenti, oppure quantitativo, ossia proporsi la misura della quantità dei costituenti. Per le analisi ci si può avvalere di metodi classici (gravimetrici o volumetrici) o di metodi strumentali, ad esempio spettroscopici Stadi di un analisi chimica Un analisi chimica è una procedura abbastanza complessa che si avvale di diversi stadi, che sono riportati sinteticamente di seguito. - Scelta del metodo di analisi, che richiede intuizione, esperienza, valutazione del grado di accuratezza richiesto, considerazioni sui costi e sui tempi necessari. - Campionamento, ossia l acquisizione di un campione rappresentativo del materiale che si vuole analizzare. - Preparazione del campione, ossia la conversione del campione rappresentativo in una forma adatta per l analisi il che spesso prevede la rimozione o il mascheramento delle specie che possono interferire con l analisi chimica

18 18 18 Appunti Capitolo di Chimica I analitica con esercitazioni numeriche - Analisi vera e propria che può essere di tipo qualitativo o quantitativo; se possibile, l analisi viene effettuata su diverse aliquote identiche del campione, in modo da ottenere misure replicate. - Valutazione dei risultati con stima dell attendibilità, fase in cui la statistica è fondamentale Le aree tradizionali di applicazione della chimica analitica La chimica analitica trova numerosissime aree di applicazione; per fornire solo gli esempi più classici si possono citare analisi chimicofarmaceutiche (controllo di qualità e quantità di principi attivi di medicinali), analisi chimico-cliniche (dosaggio di componenti in fluidi biologici come sangue e urine), controllo degli inquinanti ambientali, controllo della qualità degli alimenti, analisi di materiali tecnologici, controllo di qualità nelle industrie manifatturiere, analisi legali (controllo della conformità a limiti legali) La chimica analitica in ambito farmaceutico L analisi chimico-farmaceutica riveste un ruolo fondamentale nella tutela della salute dell uomo. Nel settore farmaceutico il concetto di qualità di un medicinale si riferisce essenzialmente al corretto contenuto in principio attivo; l analisi chimica è essenziale per garantire la sicurezza e l efficacia di un prodotto farmaceutico. Metodologie analitiche convalidate per il dosaggio del principio attivo e delle sue impurezze sono oggi richieste dagli organi governativi per la commercializzazione delle specialità medicinali. Il settore controllo di qualità ha un ruolo chiave all interno delle industrie farmaceutiche. Negli ultimi anni è purtroppo notevolmente aumentato il commercio dei medicinali contraffatti ed è quindi di fondamentale importanza seguire la vita del medicinale nelle fasi di produzione, immissione in commercio, dispensazione e distribuzione, per evitare che la filiera

19 i. La chimica analitica 19 farmaceutica possa essere inquinata da principi attivi, sostanze e farmaci illegali, potenzialmente pericolosi per la salute pubblica. L incremento registrato a livello mondiale nella diffusione di farmaci contraffatti o illegali è in larga parte riconducibile al proliferare di negozi virtuali su Internet che vendono medicinali di dubbia provenienza o non conformi alle informazioni riportate in etichetta, che attirano tuttavia clienti inconsapevoli dei rischi grazie ad una serie di promesse come la riservatezza della spedizione, la qualità della produzione, le caratteristiche naturali degli ingredienti, ma soprattutto grazie ad un prezzo di vendita sensibilmente più basso rispetto al prodotto legale autorizzato sul mercato. Il primo passo per l individuazione di farmaci contraffatti è paragonare l aspetto fisico, il testo sulla confezione, i foglietti illustrativi di campioni sospetti con prodotti autentici; tuttavia a causa delle contraffazioni sempre più sofisticate, l ispezione visiva spesso non è sufficiente a distinguere farmaci autentici da farmaci contraffatti. A tal proposito é di fondamentale importanza l analisi chimica. Permettendo la determinazione qualitativa e quantitativa della composizione dei farmaci, consente l individuazione di farmaci contraffatti; in alcuni casi si ricorre a semplici metodi ad esempio colorimetrici o cromatografici, in altri casi a metodi spettroscopici La chimica analitica tra presente e futuro I progressi della chimica analitica negli ultimi anni sono stati notevoli. Grazie alla ricerca creativa e al duro lavoro di ricercatori, oggi è possibile effettuare la determinazione simultanea di centinaia di componenti in un unico campione a concentrazioni molto basse. Per secoli l analisi chimica è stata destinata alla determinazione della concentrazione di componenti in un campione. Ora questo non è più sufficiente; sono in continuo sviluppo metodi e strumenti per lo studio della distribuzione dei componenti all interno o sulla superficie del campione. Un campo in cui i progressi della chimica analitica sono stati notevoli è quello farmaceutico. Ad esempio molti farmaci sono delle miscele racemiche ma solo un isomero ha attività terapeutica; a questo

20 20 20 Appunti Capitolo di Chimica I analitica con esercitazioni numeriche scopo la chimica analitica è in grado di determinare un isomero in presenza anche dell altro attraverso diversi metodi tra cui la cromatografia chirale a scambio di ligandi. I metodi analitici al giorno d oggi vengono proposti non solo dai ricercatori chimici, ma anche dai fisici, dai biologi e dai medici. Oggi la chimica analitica insieme alla biologia molecolare e alla biochimica lavora meravigliosamente nell identificare strutture molecolari complesse come quelle delle proteine, degli acidi nucleici e degli enzimi. Tecniche analitiche sono state sviluppate per analizzare singole cellule; la diagnostica medica mette a disposizione metodi a- nalitici per la rilevazione delle malattie. La chimica analitica attualmente offre la possibilità di eseguire analisi addirittura senza il contatto diretto dell operatore con il campione; esempi di analisi a distanza sono studi della composizione del terreno, dell atmosfera, dei pianeti, del sistema solare. Accanto alle più recenti applicazioni restano comunque sempre applicazioni tradizionali, come la semplice determinazione del ph di soluzioni, del grasso nel latte, dell umidità nel grano, del glucosio nel sangue. I metodi analitici sono oggi davvero numerosi; i metodi classici attualmente sono per lo più automatizzati ed utilizzati in combinazione con tecniche moderne di registrazione del segnale e di elaborazione dei dati; metodi elettrochimici, cromatografici e spettrometrici sono in continua evoluzione. La selezione dei metodi resta comunque sempre governata non solo dal loro potenziale analitico e applicabilità ad un campo particolare, ma anche da circostanze concomitanti a volte estremamente importanti quali le condizioni finanziarie, la presenza di personale qualificato, la disponibilità di attrezzature. La ricerca di efficienti metodi analitici è in continua evoluzione e rappresenta un ambito in cui sono stati assegnati molti premi Nobel.