PIANO DI LAVORO DI ANALISI CHIMICA CLASSE IV/A CHIMICI A.S. 2007_08 DOCENTI: Quinto CAMA e Francesco MICELI

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1 PIANO DI LAVORO DI ANALISI CHIMICA CLASSE IV/A CHIMICI A.S. 2007_08 DOCENTI: Quinto CAMA e Francesco MICELI Considerato che le finalità del corso si propongono di costruire la figura professionale del perito chimico, si ritiene essenziale dare grande rilievo agli aspetti legati all'inserimento nel mondo del lavoro, oltre a quelli che riguardano l'ambito scientifico generale dai quali dipendono le principali tecniche di analisi quali-quantitativa strumentali e non. Lo sviluppo delle attività didattiche saranno, quindi, finalizzate a: 1. far acquisire le necessarie abilità operative; 2. proporre un approccio sequenziale alla strumentazione, evidenziando l importanza del suo uso corretto è consapevole (controlli, manutenzione, valutazione delle prestazioni); 3. far costante riferimento alla necessità dì valutare ed elaborare i dati raccolti, eventualmente, facendo adeguato uso di software applicativi; 4. insegnare una corretta metodologia per la stesura di una relazione scientifica; 5. prendere in esame le diverse fasi del processo analitico evidenziandone, attraverso un approccio sistemico, tutti gli aspetti decisionali e le interconnessioni con altre discipline; 6. fornire, in ultima analisi, un metodo di lavoro e la capacità di assumere decisioni autonome OBIETTIVI Obiettivo generale del corso sarà di facilitare la comprensione, da parte dell'allievo, dell'intero processo analitico come progressiva sequenza decisionale. In questa prospettiva l allievo. dovrà essere in grado di: 1. effettuare correttamente la campionatura in relazione alla metodica analitica; 2. scegliere la tecnica analitica in funzione dei risultati richiesti, in termini di precisione, accuratezza ed economicità; 3. scegliere il metodo di misura tenendo conto del numero delle analisi, delle interferenze, ecc.; 4. trattare il campione con gli opportuni reagenti e apparecchiature; 5. eseguire l analisi nell'ambito delle norme di sicurezza e di rispetto dell'ambiente, nonché sulla base delle necessarie operazioni di controllo sugli strumenti utilizzati; 6. elaborare statisticamente, matematicamente e presentare i dati analitici. 7. conoscere la strategia essenziale per la messa a punto di un metodo di analisi. INDICAZIONI DIDATTICHE L'insegnamento dell'analisi chimica richiede una attenta integrazione fra teoria e pratica. Sarà quindi essere impostato in modo da non appesantire eccessivamente l aspetto teorico, collegando gli elementi essenziali della chimica delle soluzioni ai principi generali dei metodi di analisi, che dovranno essere privilegiati rispetto alla ripetitiva descrizione di analisi diverse ma riconducibili allo stesso principio. Analogamente, per le analisi applicate si darà un quadro generale, il più possibile esauriente, relativo ad alcuni settori tra i più significativi, in relazione alle esigenze locali (acqua, olio, vino, ecc.). Inoltre, le esercitazioni di laboratorio saranno selezionate e organizzate in modo da costituire una valida e mutua integrazione con la parte teorica, non limitandosi a considerarle come momento di verifica sperimentale di quanto appreso in teoria, ma anche, ove possibile, come strumento base per ricavare leggi, principi teorici e modelli a partire dall esperienza. Le esercitazioni pratiche saranno essere organizzate in modo che lo studente: a. riconosca le caratteristiche, le prestazioni, i comandi ed il funzionamento dello strumento in genere; b. sia in condizione di eseguire correttamente le operazioni di taratura e di misura; c. sappia opportunamente intervenire sui parametri strumentali disponibili al fine di ottimizzare le misure; d. sia in grado di identificare e valutare, ad un primo livello, i problemi generali connessi con le interferenze (l argomento sarà approfondito nella classe quinta); e. sappia controllare l efficienza dello strumento e valutarne i limiti. La verifica delle conoscenze e delle abilità acquisite mirerà di stabilire: Programmazione di Analisi Chimiche Pagina 1 di 6

2 il livello delle conoscenze teoriche acquisite e la capacità di argomentare adeguatamente i temi proposti; la capacità di stendere relazioni di lavoro ben strutturate e documentate, dall'approccio al problema, all elaborazione dei dati raccolti e la loro presentazione; l acquisizione delle abilità essenziali relative al laboratorio. Nota: Le tecniche elettrochimiche saranno trattate per le linee generali, considerato che gli approfondimenti teorici sono previsti nel corso del quinto anno Risorse Libro di testo: R. Cozzi, P.P. Protti, T. Ruaro Analisi chimica strumentale vol. B (Metodi ottici) e vol. C (Metodi Cromatografici, Metodi di elaborazione dati) ed. Zanichelli Software: software specifico, pacchetti applicativi (Word, Excel ) vetreria e reattivi di base del laboraotio chimico - Strumentazione di laboratorio: Fotocolorimetri, spettrometri per il visibile, spettrometri per l ultravioletto, spettrometri per l infrarosso, spettrometri per l assorbimento di fiamma; phmetri; conduttimetri; cromatografi in fase gassosa e in fase liquida. Spazi e tempi del percorso formativo: Previste: 6 ore settimanali (di cui 4 ore di laboratorio) 198 ore annuali (33 settimane) Modalità di verifica e di recupero: le verifiche avvengono per mezzo di interrogazioni orali, ed elaborati scritti. Eventuale recupero di lacune sarà attuato nelle ore curricolari, se possibile, o extracurricolari. I CONTENUTI SONO RAGGRUPPATI IN MODULI E UNITÀ DIDATTICHE MODULO Trattamento dei dati analitici Riepilogo dei principali metodi titrimetrici di analisi Metodi ottici di analisi Tecniche spettrofotometriche Tecniche elettrochimiche Tecniche cromatografiche UNITÀ DIDATTICA U.1 l errore nelle misure Argentometria permanganometria chelometria - U 1 principi generali U 2 - rifrattometria U.1 Principi generali U.2 Colorimetria U.3 Spettrofotometria UV/VIS U.4 Spettrofotometria IR U.5 Spettrofotometria AA U.6 Attività sperimentali U.1 Conduttometria U.2 Potenziometria U.3 Attività sperimentali U.1 Principi generali U.2 cromatografia su carta, strato sottile e colonna U.3 Gas cromatografia U.4 Cromatografia in fase liquida HPLC e ionica Programmazione di Analisi Chimiche Pagina 2 di 6

3 Criteri di valutazione Prove scritte e orali Conoscenza dell argomento (40%) Capacità di applicare le conoscenze nelle situazioni proposte (25%) Capacità di individuare i concetti chiave e stabilire collegamenti (25%) Uso di simboli e terminologia specifica (10%) Attività di laboratorio Esecuzione sperimentale (conduzione e completamento dell esperimento) (40%) Capacità di organizzazione (reperimento ed allestimento dei materiali, apparecchiature, rispetto dei tempi e dei compiti assegnati) (25%) Compilazione quaderno di laboratorio (cura nella registrazione, sequenza logica degli schemi) (25%) Relazione sull attività svolta (individuazione dei concetti chiave, comunicazione degli aspetti salienti dell attività svolta coerentemente con gli obiettivi prefissati) (10%) CONTENUTI E OBIETTIVI DISCIPLINARI DEI MODULI Denominazione del modulo: L errore nelle misure Errori casuali e sistematici errore assoluto e relativo - valore medio di una serie di dati propagazione degli errori - accuratezza e precisione: scarto e deviazione standard istogramma dei risultati e curva di Gauss limiti di attendibilità soppressione dei dati anomali: test di Dixon (Q-Test) Denominazione del modulo: Riepilogo delle determinazioni titrimetriche Preparazione e controllo del titolo, con sodio carbonato, di una soluzione di HCl: costruzione della curva di Gauss utilizzando i dati raccolti dall intera classe. Determinazione di alcuni parametri delle acque potabili: Determinazione dei cloruri col metodi di Mohr; Determinazione della richiesta immediata di ossigeno (IOD) Determinazione della durezza totale; Determinazione della durezza calcica Denominazione del modulo: Rifrattometria L indice di rifrazione; L indice di rifrazione delle soluzioni; Applicazioni della misura dell indice di rifrazione; Attività pratiche: misura dell indice di rifrazione di alcuni liquidi; verifica grafica dell andamento dell indice di rifrazione in funzione della concentrazione Denominazione del modulo: Tecniche spettrofotometriche Contenuti e attività didattiche svolte nel modulo Unità 1. Principi generali Analisi chimiche classiche e strumentali, le diverse fasi dell analisi chimica DA COMPLETARE Le radiazioni elettromagnetiche: lunghezza d onda (λ), frequenza (ν), ampiezza, intensità. Lo spettro elettromagnetico, la legge di Plank tecniche ottiche di analisi: riflessione, rifrazione, diffusione, interferenza, diffrazione, luminescenza, assorbimento, emissione Classificazione delle tecniche spettroscopiche di assorbimento: assorbimento atomico e molecolare Programmazione di Analisi Chimiche Pagina 3 di 6

4 Unità 3. Spettrofotometria ultravioletta/visibile (UV/VIS) Le regioni principali dello spettro: UV lontano, UV vicino, visibile Assorbimento nell UV-VIS L assorbimento dei composti organici: transizioni σ σ *, π π *, n σ * e n π *, transizioni per trasferimento di carica L assorbimento dei composti di coordinazione: transizioni d d e f f, transizioni per trasferimento di carica Legge dell assorbimento: trasmittanza, assorbanza, legge di Lambert Beer, coefficiente di estinzione molare, trasmittanza percentuale Strumentazione: Schema a blocchi Sorgenti: lampade a tungsteno, a deuterio e a vapori di mercurio o cadmio Cuvette, limiti di trasparenza Monocromatori: funzione, filtri, prismi e reticoli (caratteristiche principali), ampiezza della banda passante, potere risolvente e risoluzione spettrale, posizione Rivelatori: celle fotovoltaiche e fotoconduttive, fototubi, fotomoltiplicatori (caratteristiche principali) Tipi di strumento: monoraggio e doppioraggio (caratteristiche, azzeramento, ricerca della λ max, lettura in assorbanza, trasmittanza e in concentrazione) cenni agli strumenti a serie di diodi Prestazioni degli strumenti: campo spettrale, accuratezza e precisione delle λ(test dell ossido di olmio), risoluzione (test del benzene), stabilità della linea di base, luce diffusa Analisi qualitativa Effetto batocromo (spettri del benzene, metilbenzene e dimetilbenzene), ipsocromo, auxocromo, effetto del solvente (spettro dell acetone in acqua e in esano), effetto ipercromo e ipocromo Limiti di trasparenza di alcuni solventi e scelta del solvente Registrazione dello spettro di assorbimento di alcune sostanze organiche Analisi quantitativa: Deviazioni della legge di Lambert Beer fattori fisici e chimici (concentrazione, ph, temperatura, solvente, reagenti cromogeni, fenomeni di fluorescenza, torbidità) fattori strumentali (ampiezza della banda passante, luce diffusa) fattori operativi (errori nella pesata, pulizia inadeguata delle cuvette, errore nella scelta della λ, presenza di sostanze interferenti, perdita di sensibilità dello strumento) Scelta della lunghezza d onda per misure di assorbanza, errore nella lettura, ricerca della λ di massimo assorbimento delle soluzioni di permanganato a diverse concentrazioni Accuratezza dell analisi, errore fotometrico Metodi di analisi: retta di taratura, determinazione della retta di taratura del permanganato a diverse λ, uso di reagenti cromogeni: determinazione dell azoto ammoniacale con il metodo di Nessler Unità 3. Spettrofotometria infrarossa (IR) Le regioni principali dello spettro: IR lontano, IR medio, IR vicino Assorbimento nell IR Il modello classico dell oscillatore armonico Il modello quantistico, numero quantico vibrazionale, bande di overtone Strumentazione per spettrofotometri a dispersione: Schema a blocchi Sorgenti: filamento di Nernst, striscia al nichel-cromo, filamento di ceramica Monocromatori a reticolo di riflessione Rivelatori: funzione, posizione, termistori e termocoppie, cristalli piroelettrici Tipi di strumento: monoraggio e doppioraggio Prestazioni degli strumenti: accuratezza e precisione del numero d onda (test del polistirene) Strumentazione per spettrofotometri in trasformata di Fourier, cenni, vantaggi rispetto agli strumenti a dispersione Programmazione di Analisi Chimiche Pagina 4 di 6

5 Sistemi di preparazione dei campioni Materiali più usati per le finestre e relativi spettri di assorbimento Celle per liquidi, determinazione del cammino ottico e dello spessore Campioni solidi: spettri in soluzione, in nujol e in KBr, film sottili (registrazione spettri di alcune sostanze termoplastiche) Analisi qualitativa: Parametri caratteristici: posizione, intensità, forma Zone di assorbimento: la zona degli overtone, delle bande di stretching dei legami X-H, dei legami semplici X-Y, dei tripli legami, dei doppi legami, la zona dei fingerprint, le zone dei bending Registrazione dello spettro di alcuni solventi, la loro trasparenza Registrazione degli spettri di alcuni composti organici, interpretazione degli spettri (individuazione dei gruppi funzionali, identificazioni dei composti data la formula bruta (calcolo del numero di insaturazioni, identificazione dei gruppi funzionali, formula probabile) Registrazione degli spettri di alcune sostanze termoplastiche Analisi in riflettanza: dispositivo ATR, registrazione dello spettro di alcune sostanze organiche, confronto con quelli registrati in trasmittanza Unità 3. Spettrofotometria di assorbimento Gli spettri di assorbimento atomico: acquisto di energia radiante e rilassamento, le serie spettrali, l allargamento delle righe spettrali (effetto Lorentz, Doppler, allargamento naturale, cenni) Assorbimento atomico e concentrazione, la relazione di Boltzman, il coefficiente di assorbimento atomico Strumentazione: Schema a blocchi Sorgenti: lampade a catodo cavo a singolo elemento e multielemento Sistemi di atomizzazione: a fiamma (bruciatore a flusso laminare, tipi di fiamma) e a fornetto di grafite, cenni al sistema a vapori freddi e al sistema di campionamento per idruri volatili Monocromatore: funzione, posizione Rivelatori: corrente di fondo, rumore di fondo, resa quantica Sistemi di lettura del segnale: costante di tempo Prestazioni dello strumento: efficienza della lampada, sensibilità, disturbo di fondo, limite di rivelabilità e limite di quantificazione Ottimizzazione dello strumento: a fiamma spenta (selezione della lunghezza d onda di lavoro, allineamento ottico della lampada, centratura del monocromatore, posizionamento della testata del bruciatore), accensione della fiamma (regolazione della velocità di iniezione, regolazione del flusso di gas). Sistemi di correzione dell assorbimento di fondo: interferenze spettrali (interferenze da emissione, spettrali atomiche, spettrali molecolari, di scattering), interferenze non spettrali fisiche (viscosità della matrice) e chimiche (specie presenti nella matrice, interferenze da ionizzazione), correzione (metodo delle linee, lampada a deuterio, cenni all effetto Zeeman) Analisi quantitativa Metodo della retta di taratura: verifica delle rette di calibrazione di alcuni elementi (Cu, Zn, Pb, Fe, ecc.), determinazione della concentrazione di uno ione metallico in soluzione Metodo delle aggiunte: applicazioni in matrici complesse, determinazione del rame e del ferro nei vini Denominazione del modulo: TECNICHE ELETTROCHIMICHE Unità 1: conduttometria La legge di ohm applicata alle soluzioni: la conducibilità elettrica e fattori che la influenzano; Conducibilità specifica ed equivalente: la mobilità ionica Misura della conducibilità elettrica; Le titolazioni conduttometriche: titolazione acido forte/base forte; titolazione dei cloruri con AgNO 3 Programmazione di Analisi Chimiche Pagina 5 di 6

6 Unità 2: potenziometria Generalità sul potenziale elettrochimico: il potenziale standard; tipi di elettrodi; Elettrodi di riferimento ed elettrodi indicatori L elettrodo a vetro; le titolazioni potenziometriche: andamento del potenziale in funzione del volume di titolante aggiunto Denominazione del modulo: TECNICHE CROMATOGRAFICHE PRINCIPI GENERALI Polarità, interazione dipolo-dipolo, dipolo-dipolo indotto, legame a idrogeno Meccanismi chimico-fisici della separazione cromatografica: ripartizione, adsorbimento, scambio ionico, esclusione, affinità Classificazione delle tecniche cromatografiche: in base alla fase mobile, alla fase stazionaria e ai meccanismi chimico-fisici della separazione Cromatogramma: tempo di ritenzione (tempo morto e tempo di ritenzione corretto), volume di ritenzione, ampiezza del picco, altezza e area del picco Costante di distribuzione, fattore di ritenzione, selettività, efficienza, teoria dei piatti, teoria delle velocità, equazione di Van Deemter, risoluzione, capacità, Unità 2. Gas cromatografia Principi, campi di applicazioni e classificazione delle tecniche gascromatografiche Fase mobile (carrier) e fase stazionarie per GLC (caratteristiche generali) Il Gascromatografo: iniettori, colonne, rivelatori (termoconducibilità, FID, a cattura di elettroni) Metodo dell area normalizzata corretta e dello standard interno, temperatura programmata In laboratorio Descrizione e uso dei gas cromatografi disponibili in laboratorio Il problema dell iniezione: sistemi di iniezione La temperatura programmata Effetto della variazione di temperatura della colonna, della polarità della fase stazionaria e della portata del carrier sulla risoluzione Applicazioni quantitative: area normalizzata corretta, standard interno, standard esterno Applicazioni qualitative Unità 3 Cromatografia in fase liquida a elevate prestazioni (HPLC) Principi, campi di applicazioni e classificazione delle tecniche HPLC Fase mobile e fase stazionarie (caratteristiche generali), fasi legate Strumentazione: pompe, sistemi di iniezione, formatore di gradiente, colonne, rivelatori (UV- VIS, cenni a fluorimetro e conduttimetri) In laboratorio Descrizione e uso dei cromatografi HPLC disponibili in laboratorio Effetto della variazione del flusso, della composizione dell eluente, eluizione isocratica e in gradiente Applicazione quantitative : standard esterno Applicazioni qualitative : metodo dell'arricchimento I docenti Programmazione di Analisi Chimiche Pagina 6 di 6