KARL FISCHER: LA CONFIGURAZIONE STRUMENTALE OTTIMALE PER ANALISI DI OLI

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1 KARL FISCHER: LA CONFIGURAZIONE STRUMENTALE OTTIMALE PER ANALISI DI OLI 1

2 Metrohm AG Herisau, Sede Storica Herisau, Ionenstrasse, dipendenti, dei quali un terzo dedicati alla ricerca 2

3 Il gruppo Metrohm Sviluppo e produzione sensori com/company/metroglas.h tml Monitoraggio in linea di processi Campionatori per aria Analisi spettrofotometria infrarosso Analisi materie prime Potenziosati/Galvanostati 3

4 La reazione Nello sviluppo della sua nuova tecnica analitica, il lavoro di Karl Fischer si basò sulla reazione di Bunsen ( ) che veniva utilizzata per determinare l anidride solforosa in acqua: SO 2 + I H 2 O H 2 SO HI In presenza di un eccesso di SO 2 e di una base, questa stessa reazione può essere utilizzata per determinare l acqua in ambiente anidro. H 2 O + I 2 + [RNH] + SO 3 CH RN [RNH] + SO 4 CH [RNH] + I - Nella formulazione originale dei reagenti la base utilizzata era piridina pyridine happened to be around in the lab *RN = base

5 I reattivi La formulazione classica dei reattivi prevedeva una soluzione di SO 2 e I 2 in metanolo e piridina con un titolo finale di circa 3 mg/ml Il titolo di questo reagente non era stabile nel tempo e andava determinato praticamente ogni giorno. Questo ha portato allo sviluppo dei reagenti separati in cui i componenti attivi si trovano in 2 diverse soluzioni: Il titolante contiene lo iodio Il solvente contiene l andride solforosa e la base

6 I reattivi Nel corso degli ultimi decenni i reattivi sono stati ulteriormente migliorati Metanolo H 2 O + I 2 + [RNH] + SO 3 CH RN [RNH] + SO 4 CH [RNH] + I - Teoricamente anche reattivi non alcolici possono essere utilizzati, ma in questo caso la stechiometria della reazione cambia. o Nei solventi protici come metanolo ed etanolo il rapporto H 2 O : I 2 è pari a 1 : 1 o Nei solventi aprotici (ad. es. DMF) il rapporto H 2 O : I 2 è pari a 2 : 1 o Con alcool a catena più lunga si ottengono valori intermedi in funzione della reattività dell alcool (In metanolo circa il 100 %, in propanolo l 80 % e nel butanolo meno del 50 % è presente come estere solfito) Nei reattivi commerciali il metanolo può essere sostituito da altri solventi come il DEGEE (etilene glicole monoetil etere) Con i reattivi odierni una variazione della stechiometria non dovrebbe verificarsi: Il titolo ed il campione vengono determinati nello stesso mezzo di reazione

7 Titolazione KF - Tipologie Titolazione volumetrica % Titolazione coulometrica % Lo I 2 è contenuto nei reagenti Lo I 2 viene generato elettricamente Reagenti monocomponente Reagenti a 2 componenti Cella con diaframma Cella senza diaframma Titolante Solvente Contiene tutti i reagenti in un unica soluzione Contiene I 2 in alcool Contiene SO 2 e una base in alcool Catolita ed Anolita Solo Anolita

8 Prerequisiti Il titolante (I 2 ) deve essere aggiunto con un alta risoluzione, il più accuratamente possibile e con la maggiore riproducibilità possibile La cella di reazione deve essere sigillata e garantire una buona tenuta per limitare l influenza dell acqua presente all esterno (con un umidità relativa del 60 % a 25 C, 0.5 ml d aria contengono circa 7 µg d acqua) Per poter misurare solo l acqua contenuta nel campione tutta l umidità presente nel sistema deve essere rimossa durante la fase preliminare detta condizionamento

9 Condizionamento Per poter determinare una sostanza così diffusa come l acqua è necessario eliminare il contributo dell acqua proveniente dall ambiente esterno prima di poter lavorare sul campione Prima della titolazione vera e proprio c è una fase di condizionamento del sistema in cui lo iodio viene aggiunto in maniera controllata per eliminare l acqua presente Questo è un azzeramento dinamico del sistema in cui non si raggiunge mai la condizione di 0 La quantità di titolante necessaria per mantenere la cella in condizioni anidre e dosata continuamente durante questo processo viene definita deriva ed espressa in µl/min o µg/min

10 KF Titolazione Volumetrica Lo iodio viene aggiunto alla cella di titolazione sotto forma di soluzione alcoolica La precisione del metodo dipende direttamente dall accuratezza con cui il titolante viene dispensato I sistemi di dosaggio Metrohm sono in grado di erogare il volume nominale della buretta diviso in almeno passi; essendo dotati tipicamente di burette da 10 ml questo si traduce nella possibilità di erogare 1 µl per volta Nonostante ciò non è possibile nella pratica spingersi fino a questo limite Anche in una cella ben realizzata ed i ottimo stato le infiltrazioni di umidità possono consumare fino a 20 µl/min di reagente

11 KF Titolazione Coulometrica Lo iodio viene generato per ossidazione anodica dello ioduro presente nel solvente per mezzo di una corrente elettrica - + Questa buretta elettronica produce una quantità di iodio direttamente corrispondente alla quantità di corrente applicata (A) per il tempo di applicazione (s) Ampere x secondo = Coulomb Il termine coulometrico deriva proprio da Coulomb H + - I - - H I

12 KF Titolazione Coulometrica Per essere applicabile nella pratica questo processo deve avvenire: Con un efficienza del 100 % Senza che si verifichino reazioni secondarie - + I titolatori coulometrici Metrohm operano in maniera galvanostatica ossia a corrente costante Corrente applicata: 100/200/400 ma Variando la durata degli impulsi di corrente è possibile generare lo iodio con elevata precisione in prossimità del punto finale H + - I - - H I

13 KF Titolazione Coulometrica Esistono due tipologie di cella impiegate in coulometria Cella con diaframma Cella senza diaframma

14 Cella senza diaframma In questa cella non è presente il diaframma poroso Vengono utilizzate diverse soluzioni tecnologiche per impedire allo iodio di raggiungere il catodo Superficie del catodo ridotta Corrente fissa a 400 ma Anodo al di fuori del cilindro in vetro Cella senza diaframma

15 Cella con diaframma Un diaframma poroso separa i due compartimenti che costituiscono l elettrodo generatore con la funzione di evitare che lo iodio generato all anodo venga nuovamente convertito in ioduro dal catodo La corrente applicata può variare: 100 ma, 200 ma, 400 ma Cella con diaframma Potendo variare l intensità della corrente questo sistema è molto accurato in prossimità del punto finale e quindi indicato < 50 µg di acqua

16 Cella senza diaframma Vantaggi: Utilizzo di un solo reattivo Semplice da pulire Tempi di condizionamento ridotti Possibilità di automatizzare il cambio reagente Cella senza diaframma

17 Indicazione elettrometrica Indicazione bivoltammetrica (I pol ) I questo caso una piccola corrente costante viene applicata agli elettrodi e il potenziale risultante misurato In presenza di iodio libero (assenza di acqua) occorre un piccolo potenziale per mantenere il flusso di corrente; in presenza di acqua lo strumento deve applicare una tensione maggiore per mantenere il flusso di corrente Presenza di acqua Assenza di acqua

18 Parametri di titolazione Punto finale Velocità di titolazione Dinamica Velocità massima Volume minimo incremento Criterio di stop Tempo Deriva Deriva relativa Tempo di estrazione Correzione della deriva

19 Parametri di titolazione Punto finale Velocità di titolazione Dinamica Velocità massima Volume minimo incremento Criterio di stop Tempo Deriva Deriva relativa Tempo di estrazione Correzione della deriva

20 Punto finale Metrohm lavora in bivoltametria applicando una corrente di polarizzazione costante all elettrodo indicatore Il punto finale indica il potenziale U in mv al di sopra del quale è presente acqua nella cella KF Volumetrico: 250 mv U > 250 mv presenza di acqua U < 250 mv eccesso di iodio Corrente di polarizzazione 50 µa (DC) KF Coulometrico: 50 mv U > 50 mv presenza di acqua U < 50 mv eccesso di iodio Corrente di polarizzazione 10 µa (AC) Presenza di acqua Assenza di acqua

21 Velocità di titolazione Dinamica (mv) Rappresenta il range di controllo, la distanza dal punto finale in cui il titolatore controlla la quantità di iodio aggiunta nel tempo Velocità massima (ml/min) Velocità a cui viene aggiunto il titolante al di fuori del range di controllo. Dipende dal volume della buretta in uso Volume d incremento minimo (µl) Velocità di aggiunta nelle fasi iniziali e finali della titolazione. Determina l accuratezza nella discriminazione del volume finale Velocità massima Velocità ridotta

22 Velocità di titolazione Dinamica Rappresenta il range di controllo, la distanza dal punto finale in cui il titolatore controlla la quantità di iodio aggiunta nel tempo KF Volumetrico: 100 mv U > mv viene applicata la velocità massima U < mv la velocità viene ridotta in funzione della distanza dal punto finale Velocità massima Velocità ridotta KF Coulometrico: 70 mv U > mv viene applicata la velocità massima U < mv la velocità viene ridotta in funzione della distanza dal punto finale

23 Criteri di stop Stop a tempo (s) Dopo l ultima aggiunta di titolante il potenziale deve rimanere al di sotto del potenziale di punto finale per il tempo indicato Stop a deriva assoluta (µl/min o µg/min) La titolazione termina quando la deriva ritorna al valore specificato Nella pratica si è visto che il raggiungimento del valore di deriva iniziale può allungare considerevolmente la durata delle titolazioni Stop a deriva relativa (µl/min o µg/min) La titolazione termina quando la deriva ritorna al valore iniziale incrementato del valore specificato deriva di stop = deriva iniziale + deriva relativa

24 Parametri di titolazione Punto finale Velocità di titolazione Dinamica Velocità massima Minimo incremento Criterio di stop Tempo Deriva Deriva relativa Tempo di estrazione Correzione della deriva

25 Tempo di estrazione Pausa (s) Pausa di tempo dall introduzione del campione prima che la titolazione abbia inizio Tempo di estrazione (s) Stabilisce la durata minima della titolazione Trascorso il tempo di estrazione entrano in vigore i criteri di stop Si utilizzano quando un campione si scioglie con difficoltà e/o rilascia l acqua lentamente La differenza sta nel fatto che durante il tempo d estrazione la titolazione continua regolarmente

26 Parametri di titolazione Punto finale Velocità di titolazione Dinamica Velocità massima Minimo incremento Criterio di stop Tempo Deriva Deriva relativa Tempo di estrazione Correzione della deriva

27 Correzione automatica della deriva Se viene attivata questa opzione, il titolatore compensa automaticamente il contributo della deriva del sistema durante l analisi Per far questo si parte dall assunzione che quando il sistema è condizionato (una volta raggiunta una deriva bassa e stabile) il contributo del sistema ammonta a: KF Volumetrico Compensazione (µl) = Deriva inziale (µl/min) x durata della titolazione (min) KF Coulometrico Compensazione (µg) = Deriva inziale (µg/min) x durata della titolazione (min) Le differenze più significative si riscontrano su lunghi tempi di analisi Indicato quando si lavora con pausa o tempo di estrazione

28 Possibili fattori destabilizzanti Solubilità del campione Influenza del ph Reazioni parallele

29 Aggiunta di solubilizzanti Agenti solubilizzanti per KF volumetrico Vengono aggiunti direttamente al solvente e condizionati con esso Agente solubilizzante Campioni Quantità massima 1-esanolo Per idrocarburi a catena lunga, dispersioni di olio 50 % Cloroformio Per olii e campioni organici 70 % Xilene, toluene Petrolio e campioni organici 70 % Formammide Soluzione fresca (max 2 gg) Per solidi, zuccheri e proteine 50 % N-metil-pirrolidone Polimeri 50 %

30 Aggiunta di solubilizzanti Agenti solubilizzanti per KF columetrico Vengono aggiunti direttamente al solvente e condizionati con esso Agente solubilizzante Campioni Quantità massima 1-esanolo Per idrocarburi a catena lunga, dispersioni di olio 30 % Cloroformio Per olii e campioni organici 30 % Xilene, toluene Petrolio e campioni organici 30 % Formammide Per solidi, zuccheri e proteine * Reattivi con alte percentuali di solubilizzanti sono causa di sovrastima se utilizzati con elettrodi senza diaframma (Recovery rates %)

31 Influenza del ph La reazione KF procede stechiometricamente e velocemente solo con un ph compreso tra 5 e 7. 6 log (K) 4 2 Reazione lenta ph ottimale Reazioni secondarie A ph alcalino la velocità di reazione aumenta, ma principalmente a causa dell instaurarsi di reazioni secondarie Punto finale non definito ph

32 Reazioni parallele Aldeidi e chetoni R R C O + C H 3 O H C H 3 O H R O C H 3 C R O C H 3 + H 2 O Fenoli ossidazione con iodio presente nel reattivo Mercaptani, Tioli, Cisteine formazione di addotti Perossidi ioduro ossidato a iodio: sovratitolazione

33 Reazioni parallele

34 Estrazione a caldo con fornetto Quando il campione per sua natura: rilascia l acqua lentamente richiede temperature elevate è insolubile in alcool da origine a reazioni secondarie Si lavora con il fornetto

35 Estrazione a caldo con fornetto Negli strumenti moderni il campione viene collocato all interno di una vial e sigillato La vial viene collocata all interno di un pozzetto riscaldato Un ago doppio penetra la vial ed eroga un gas di trasporto anidro

36 Estrazione a caldo con fornetto Durante l estrazione l acqua viene trasferita in maniera quantitativa all interno della cella di titolazione In questo modo solo l acqua raggiunge la cella ed il solvente di reazione rimane pulito

37 Selezione della temperatura Per selezionare la temperatura di lavoro ottimale si esegue una rampa di temperatura a velocità costante (2 C/min) Acqua [µg] Acqua Deriva [µg/min] Temperatura corretta Decomposizione C 100 C 150 C 200 C 250 C Temp. 0 t [s]

38 Fattori chiave Fattori chiave per ripetibilità e accuratezza Deriva e tenuta della cella Setacci molecolari Cella coulometrica Elettrodi Manipolazione del campione Curve di titolazione Esempi

39 Cella di titolazione Condensazione del metanolo Agitare la cella con un movimento rotatorio dopo il condizionamento Analisi di solidi e polveri Pulire ed asciugare spesso il tappo della cella di titolazione Posizione della punta di buretta La punta di buretta deve dirigere il titolante lontano dall elettrodo indicatore Velocità di agitazione Influenza l indicazione del punto finale, utilizzare una velocità piuttosto elevata. Poche bolle d aria non sono un problema

40 Deriva accettabile Massima deriva raccomandata nella cella volumetrica 10 µl/min con titolante 5 mg/ml 50 µg/min 10 µl/min con titolante 2 mg/ml 20 µg/min 10 µl/min con titolante 1 mg/ml 10 µg/min Massima deriva raccomandata nella cella coulometrica Solvente fresco Dopo pochi minuti: < 10 µg/min Ideale: 4-6 µg/min Spesso: 2 µg/min Solvente usato Massimo 20 µg/min Sostituire il solvente quando la deriva è elevata o instabile

41 Setacci molecolari Le bottiglie di reagente e la cella di misura devono essere equipaggiati con materiale in grado di trattenere l umidità. Valori di deriva elevati, difficoltà nel condizionamento Sostituire i setacci molecolari I setacci molecolari vanno sostituiti ad intervalli regolari in funzione dell umidità dell ambiente di lavoro Possono essere rigenerati in 24 h in stufa ( C)

42 Cella con diaframma Compartimento anodico La cella contiene 100 ml di solvente Cambiare il reagente quando: La cella è piena La deriva instabile o elevato La capacità del solvente è stata raggiunta I reattivi commerciali hanno una capacità di circa 10 µg/ml, quindi la cella coulometrica ha in totale una capacità di circa 1000 µg 1000 iniezioni da 1 ml di un campione con 0.1 % d acqua

43 Cella con diaframma Compartimento catodico Contiene circa 5 ml di reattivo L acqua nel compartimento catodico non viene mai eliminata Nessuna reazione KF nel compartimento catodico In una settimana cominciano ad accumularsi composti di zolfo Questi composti diffondono nel diaframma inquinandolo deriva instabile Dopo diverse settimane Il diaframma si colora di nero e comincia ad emanare cattivo odore Precipitazione e formazione di cristalli Il catolita deve essere cambiato ogni settimana!

44 Elettrodi Elettrodo indicatore L elettrodo indicatore va mantenuto pulito La presenza di depositi anche non visibili può alterarne il funzionamento Pulire l elettrodo con un tessuto morbido Le punte di platino sono molto delicate, fare attenzione a non piegarle devono rimanere parallele Elettrodo generatore Impurita invisibili Pulizia con metanolo Impurità visibili o diaframma scuro Pulizia con acido nitrico e poi con metanolo Asciugare in stufa a 50 C

45 Curva di titolazione L osservazione della curva di titoazione può dare importanti suggerimenti su cio che avviene nella cella di misura Curva buona Curva non buona

46 Grazie per la Vostra attenzione