Laboratorio di Chimica Analitica (I corso) Laurea Triennale in Chimica. Docente: Picca Rosaria Anna Stanza n.

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1 Laboratorio di Chimica Analitica (I corso) Laurea Triennale in Chimica Docente: Picca Rosaria Anna Stanza n.25 piano terra

2 INFORMAZIONI GENERALI L obiettivo del corso è quello di fornire i fondamenti teorico/pratici dei metodi volumetrici di analisi e gli strumenti base per poter valutare criticamente i risultati ottenuti. Oltre alle lezioni teoriche, il corso comprende esercitazioni numeriche e di laboratorio (individuali). Le esercitazioni di laboratorio sono organizzate su due turni, in funzione del numero degli studenti frequentanti (giovedì mattina ore e mercoledì pomeriggio ). Alla fine di ogni esercitazione sarà richiesta una relazione da consegnare la volta successiva. I corsi di Chimica Analitica e di Laboratorio di Chimica Analitica danno luogo ad un esame integrato. L esame è costituito da una prova pratica di laboratorio (incognita), da una prova scritta comprendente 3 esercizi numerici. Qualora la prova scritta sia superata con votazione di almeno 18/30, si può sostenere la prova orale.

3 Testo consigliato: Fondamenti di Chimica Analitica di Skoog e West F. J. Holler, S. R. Crouch, Edises 2015, III Edizione

4 PROGRAMMA I PRODOTTI CHIMICI, L ATTREZZATURA ED IL COMPLESSO DI OPERAZIONI DELLA CHIMICA ANALITICA Materiali e Richiami sulla Sicurezza in laboratorio. GLI ERRORI NELL'ANALISI CHIMICA - Definizione dei termini; Errori casuali; Errori sistematici; La deviazione standard VALUTAZIONE DEI DATI ANALITICI - Il trattamento statistico dell'errore casuale; Applicazione della statistica alla valutazione dei dati. PROPAGAZIONE DELL ERRORE METODI DI ANALISI BASATI SU TITOLAZIONE - Alcuni aspetti generali della titolazione volumetrica; Soluzioni standard; Calcoli volumetrici; Curve di titolazione nei metodi basati su titolazione. ESPERIENZE DI LABORATORIO Titolazioni acido-base, redox e complessometriche

5 INTRODUZIONE: una definizione di Chimica Analitica Secondo il Working Party of Analytical Chemistry della Federazione delle Società chimiche europee (WPAC/FECS) LA CHIMICA ANALITICA è la disciplina scientifica che sviluppa e applica metodi, strumenti e strategie per ottenere informazioni sulla composizione e natura della materia nello spazio e nel tempo. Fig. 1-1 Skoog, West, Fondamenti di Chimica Analitica, III Edizione, EdiSES, Napoli, 2015

6 LE AREE DI APPLICAZIONE DELLA CHIMICA ANALITICA RIGUARDANO LA MAGGIOR PARTE DELLE ATTIVITÀ UMANE controllo ambientale (acque, aria, suoli) analisi chimico-cliniche (sangue, urine, ecc.) controllo della qualità degli alimenti analisi merceologiche analisi farmacologiche controllo di qualità nelle industrie manifatturiere analisi legali (conformità a limiti legali, contestazioni) sviluppo di materiali tecnologici (compositi, ceramiche, ecc.)..

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8 CLASSIFICAZIONE E PRINCIPI DEI METODI ANALITICI

9 DEFINIZIONI IMPORTANTI: Tecnica analitica: è l'insieme dei principi teorici e degli accorgimenti sperimentali che permettono di utilizzare un fenomeno scientifico fondamentale al fine di ottenere informazioni sulla composizione di un certo campione. Metodo analitico: applicazione di una tecnica analitica per risolvere un problema analitico specifico. Procedura: insieme delle istruzioni di base necessarie per utilizzare un metodo analitico. Nell'ipotesi che l'utilizzatore disponga di una cultura specifica nel campo in cui deve operare, la procedura si limita a stabilire la successione degli stadi operativi principali.

10 10 Protocollo: insieme delle istruzioni e direttive dettagliate da seguire rigidamente affinché il risultato possa essere accettato per fini particolari (controversie legali, conformità). Misura: insieme di un numero, un incertezza ed un'unità di misura assegnati a rappresentare un parametro in un determinato stato del sistema. Misurazione: insieme di operazioni materiali ed elaborative compiute mediante appositi dispositivi posti in interazione con il sistema misurato allo scopo di assegnare la misura di una grandezza assunta come parametro di tale sistema.

11 Attrezzatura di laboratorio per l analisi quantitativa

12 Le attrezzature di base del laboratorio didattico sono: Bilancia analitica Centrifuga Stufa opera fino a ; Muffola opera fino a 1200 C o più; Agitatore magnetico spesso associato a piastra riscaldante; Bagno termostatico e Bagnomaria; Essiccatori Vetreria per prelevare e contenere liquidi o solidi; spesso di vetro ma anche in materiale plastico speciale. Attrezzatura metallica e di plastica : aste, pinze, treppiedi, anelli, piastrelle refrattarie, spatole e cucchiai.

13 Misure di massa Le misure di massa in laboratorio sono effettuate utilizzando le bilance che permettono il confronto del peso dell oggetto in esame con il peso di masse di riferimento. Le normali bilance elettroniche in commercio sono classificabili in: ANALITICHE: elevata sensibilità e alta risoluzione TECNICHE: utilizzate per pesare q.tà relativamente grandi e che non richiedono una elevata risoluzione ma un alta portata

14 Caratteristiche delle bilance elettroniche Capacità o portata: il carico massimo su un piatto per il quale la bilancia si trova in equilibrio entro la scala Tempo di stabilizzazione: intervallo di tempo tra il caricamento del materiale sul piatto della bilancia e la stabilizzazione dell indicazione del peso Precisione (riproducibilità): rappresenta il grado di concordanza di una serie di misure di una stessa quantità ripetuta molte volte nelle stesse condizioni Accuratezza: la concordanza tra il risultato della misura e il valore vero della quantità misurata Divisione di lettura: la più piccola frazione di divisione che viene letta dal display

15 Bilance analitiche per misure di massa La bilancia ci permette di determinare la massa di un campione. Spesso la si chiama pesata, ma deve essere chiara la differenza fra peso (che è il prodotto della massa per l accelerazione di gravità, che quindi dipende dal valore di g nel luogo di pesata) e massa (proprietà costante almeno in reazioni non nucleari). La massa è misurata per confronto del peso dell oggetto in esame con il peso di masse di riferimento. Caratteristiche medie dei vari tipi di bilance: BILANCE CAPACITA (g) PRECISIONE(mg) MACRO ANALITICA SEMIMICRO MICRO ULTRA-MICRO

16 Semimicro: Portata: 90 g Divisione di lettura: ± 0.01 mg Linearità: = 0.06 mg Tempo di stabilizzazione: 8/10 secondi Ripetibilità: = 0,03 mg Macro: Portata: 205 g Divisione di lettura: ± 0.1 mg Linearità: ± 0.2 mg Tempo di stabilizzazione: 5/8 secondi Ripetibilità: = 0,1 mg Diametro piatto: 80 mm Massa di calibrazione incorporata Autocalibrazione totalmente automatica attivabile a mezzo tasto Tastiera a membrana resistente agli acidi con funzioni attivabili dal menù: lettura in g (grammi), lb (libbre), oz (once), ct (carati), pcs (pezzi), % (percentuale) Lettura con display LCD Indicazione del raggiungimento del peso stabile Piedini regolabili con bolla di livellamento Temperatura di funzionamento: 10/30 C Dimensioni totali: larghezza 210, profondità 340, altezza 320 mm Peso netto: 6,6 kg

17 MODELLO PORTATA g DIVISIONE DI LETTURA g PIATTO mm CALIBRAZIONE con MASSA EU - C ,01 diam.128 ESTERNA EU - C x173 ESTERNA Linearità: ± 3 LSD Temperatura di funzionamento: C (ottimale C) Funzione contapezzi Calibrazione automatica del fondo scala con massa esterna Tastiera a membrana impermeabile di facile ed immediata operatività Dimensioni (L x P x H) : 200x240x80 mm Peso: 1,9 kg (x EU-C502) - 2,5 kg (x EU-C5001)

18 Bilance elettroniche a compensazione elettromagnetica Il piattello e l eventuale massa da pesare sono appoggiati a un cilindro metallico attorno al quale è avvolta una bobina conduttrice attraversata da corrente. La bobina è immersa in un campo elettromagnetico costante che sviluppa una forza verso l alto tale da poterla mantenere sospesa nell aria, insieme al piatto soprastante (zero della bilancia). Quando viene aggiunta una massa incognita, si verifica un abbassamento del piattello, rivelato da un sensore di posizione che comanda un circuito elettronico in grado di riportare il piatto nella posizione iniziale. L entità delle variazioni subite dal circuito costituisce il segnale, che opportunamente elaborato permette la visualizzazione della misura. L operazione è completamente automatica e avendo meno organi meccanici risulta più robusta e poco sensibile alle vibrazioni.

19 Modalità di pesata 1. Pesata diretta 2. Pesata per differenza (da utilizzare per sostanze igroscopiche e liquidi) Pesare il pesafiltro con il contenuto Versare parte del contenuto nel recipiente di raccolta Pesare nuovamente pesafiltro e il contenuto rimasto La massa della sostanza trasferita nel recipiente di raccolta viene determinata per differenza

20 L uso corretto delle bilance richiede l osservanza delle seguenti precauzioni: La bilancia deve essere collocata in un opportuno locale, sala bilance, separato dal laboratorio per minimizzare l azione corrosiva di gas o fumi. La bilancia deve essere collocata su un tavolo anti-vibrante, posta a livello con piedini regolabili attraverso una bolla. Quando non in uso, va lasciata bloccata, con gli sportelli chiusi, ricoperta con custodia. La sostanza da pesare deve essere contenuta in appositi recipienti (pesafiltri di vetro o polietilene, vetri d orologio, navicelle) puliti ed essiccati, mantenuti alla stessa T della bilancia. In caso di forti differenze di T, possono crearsi delle convettive d aria sopra il piatto e portare a false pesate. Non si deve sporcare o sovraccaricare il piattello; nel caso in cui cada parte della sostanza, deve essere immediatamente rimossa utilizzando il pennello; non si devono mai usare solventi. Il piatto non va toccato con le dita; gli oggetti da pesare vanno maneggiati con le pinze e in ogni modo evitando il contatto diretto con le dita.

21 Operazioni per l uso corretto della bilancia elettronica analitica 1. Dopo l accensione effettuare la calibrazione (manuale o automatica) 2. Pulire il piatto con opportuno pennello 3. Inserire la navicella da pesata di dimensioni idonee rispetto alla massa da pesare 4. Chiudere lo sportello ed aspettare fino a che il valore di massa sia stabile e quindi effettuare la taratura 5. Trasferire con opportuna spatola (perfettamente pulita ed asciutta) il materiale nella navicella 6. Per registrare il valore di massa, chiudere lo sportello ed attendere che il valore di massa si stabilizzi 7. Trasferire la sostanza pesata nel recipiente di raccolta 8. Pulire accuratamente il piatto con opportuno pennello

22 Fonti di errore nella pesata Errore di spinta fluidostatica: è l errore di pesata che si verifica quando l oggetto che si sta pesando ha una densità abbastanza diversa da quella delle masse standard. Effetto della temperatura: si commette un errore significativo quando si pesa un oggetto con temperatura differente rispetto a quella ambiente. Altre fonti di errore

23 L errore ha origine dalla diversa forza fluidostatica esercitata dall aria sulle massa a diversa densità

24 Fonti di errore nella pesata Errore di spinta fluidostatica: è l errore di pesata che si verifica quando l oggetto che si sta pesando ha una densità abbastanza diversa da quella delle masse standard. L errore ha origine dalla diversa forza fluidostatica esercitata dall aria sulle massa a diversa densità Nel caso si pesino sostanze con densità inferiore a 2 g/ml si usa la seguente formula: W 1 = W 2 + W 2 (d aria /d oggetto - d aria /d m ) W 1 : massa corretta W 2 : massa misurata d oggetto : densità oggetto d m : densità masse (8 g/cm 3 ) d aria : densità aria ( g/cm 3 )

25 Es. Calcolare la massa reale di un composto (d= 1.33 g/cm 3 ) la cui massa apparente misurata è pari a 100 g W 1 = W 2 + W 2 (d aria /d oggetto - d aria /d m ) W 1 = ( g/cm 3 /1.33 g/cm /8 g/cm 3 ) = Se la massa non fosse stata corretta si sarebbe compiuto un errore dello 0.08% La densità delle masse usate nelle bilance elettroniche o a piatto unico varia da 7.8 a 8.4 g/cm 3 secondo la ditta produttrice. Per la maggior parte degli scopi si usa un valore medio di 8 g/cm 3 Per i solidi a bassa densità o i liquidi gli effetti della spinta fluidostatica sono significativi e va applicata una correzione.

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28 Esercizio Una bottiglia pesa g vuota e g quando riempita con un solvente di densità 0.92 g/ml. Le masse usate per la calibrazione della bilancia hanno densità 8.0 g/ml. Calcolare la massa corretta del campione. La massa apparente del liquido risulta =1.610 g. La stessa forza fluidostatica agisce sul recipiente durante la pesata quindi bisogna considerare solo la forza che agisce sul liquido. Sostituendo g/cm 3 a d aria, 8.0 g/cm 3 a d m e 0.92 g/cm 3 a d ogg si ottiene W 1 = (0.0012/ /8.0)= g ovvero g.

29 Effetto della temperatura: si commette un errore significativo quando si pesa un oggetto con temperatura differente rispetto a quella ambiente. La causa di errore è duplice: 1) Le correnti di convenzione esercitano un effetto di sollevamento 2) L aria calda in un recipiente chiuso pesa meno rispetto allo stesso volume a T più bassa Conseguenza: la massa apparente dell oggetto è più bassa Questo errore può arrivare fino a mg per un crogiolo da filtro in porcellana (A) o per un pesafiltro (B) rimossi da una stufa a 110 C contenenti 7.5 g di KCl. Per ovviare all effetto della temperatura è necessario far raffreddare il campione (in essiccatore) prima della pesata

30 Altre fonti di errore: Materiale non al centro del piatto Manipolazione non corretta del campione (fuoriuscita dalla navicella) Sportello bilancia tenuto aperto Vibrazioni eccessive Uso di mani nude per recipienti per la tara (le dita possono trasferire umidità o grasso che influenzano la pesata) Pesata di oggetti e campioni che hanno una carica elettrostatica Navicella di pesata di dimensioni non idonee Pesata su bilancia non calibrata Impiego di spatole contaminate Confusione sulle scale di conversione Cattiva manutenzione e pulizia bilancia