Analisi acque: tecniche base

Muestreo de Aguas

Componenti delle acque dei fiumi Acqua Materiale inorganico sospeso. Includendo Al, Fe, Si, Ca, K, Mg, Na e P Specie maggiori disciolte: HCO3-, Ca2+, SO42-, SiO2, Cl-, Na+, Mg2+ e K+ Elementi nutrienti disciolti, P, N e Si Materiale organico disciolto e sospeso Metalli in tracce sia come materiale sospeso che disciolto

Geochimica delle acque di scorrimento superficiale CLOUDS FORM PRECIPITATION RUNOFF TRASPIRATION INFILTRATION EVAPORATION GROUND WATER Quali informazioni forniscono? Cicli biochimici degli elementi Tassi di alterazione Tassi di erosione fisica Consumo di CO 2 durante l’alterazione Processi di interazione acqua-roccia Mixing, e.g. acqua dolce/acqua di mare Effetti antropogenici Qualità delle acque

Campionamento

Metodi e materiali

…i fiumi

In campagna Temperatura (termometro-termocoppia) pH (pHmetro) Specie «labili»: HCO3, Ca, NO3, NH4, NO2, SiO2… (spettrofotometro da campagna, titolatore portatile…)

Quante aliquote ? necessarie opzionali (??) TQ (anioni, isotopi acqua) acidificato e filtrato (cationi e tracce) diluito (silice) opzionali (??) TQ (tritium) TQ (isotopi vari, e.g. S, Cl etc) TQ (idrocarburi) Con reattivi per analisi specifivhe (S-II)

Cosa non deve mancare in un laboratorio di analisi acque Strumenti base Materiale di «consumo» e «alimentazione» «Gente» che faccia le analisi

Perfiles batimetricos

Tecniche analitiche

Determinazione di HCO3- Titolazioni volumetriche La titolazione volumetrica si basa sulla misura del volume di una soluzione a concentrazione nota che reagisce con l’analita La titolazione viene effettuata con l’aggiunta della soluzione a concentrazione nota con una buretta, fino a fine reazione. Il volume utilizzato permette di calcolare la concentrazione dell’analita Indicatori: frequentemente l’avvenuta reazione fra analita e soluzione a concentrazione nota non è osservabile visivamente e pertanto, si ricorre all’aggiunta di un indicatore che cambia di colore quando la titolazione raggiunge il punto finale, cioè di fine reazione Determinazione di HCO3- BIANCO GIALLO ROSA Fase 1: prelievo del campione Fase 3: aggiunta del titolante fino al viraggio (punto finale) Fase 2: aggiunta dell’indicatore (metil-arancio) Il metil-arancio cambia di colore quando il pH della soluzione é 4.3, a scomparsa dello ione bicarbonato

Condizioni di validità La stechiometria della reazione deve essere nota Sono noti tutti i coefficienti di reazione La reazione deve essere spostata tutta verso destra L’equilibrio è praticamente irreversibile Non deve esserci formazione di sottoprodotti Le reazioni secondarie altererebbero la stechiometria della reazione principale La reazione deve essere sufficientemente rapida Il punto finale deve essere individuabile e riproducibile

x . molititolante = y . molititolato I calcoli Il ragionamento di base della titolazione è che x . molititolante = y . molititolato Dove x ed y sono i coefficienti stechiometrici della reazione La titolazione permette di ottenere il volume di titolante necessario di cui si conosce anche la concentrazione (titolo); per cui molititolante = Mtitolante . Vtitolante Conoscendo x e y, M e V del titolante si ottengono quindi le moli contenute nel campione incognito Conoscendo anche il volume del campione si può calcolare la molarità della soluzione incognita

La tecnica di lavoro

Individuare il P.F. Per capire quando la titolazione è terminata si deve avere un segnale di ritorno che può essere Ottico: si aggiunge una sostanza che modifica in modo certo il colore del campione titolato La sostanza è chiamata indicatore e deve funzionare in modo da rendere minimo l’errore Fisico: si misura una grandezza fisica il cui valore indica il termine della titolazione Conducibilità elettrica, pH, ecc.

Il punto finale Il punto finale di una determinazione volumetrica può essere svelato: Da variazioni chimiche o fisiche dovute a variazioni delle concentrazioni dei reagenti in vicinanza del punto di equivalenza Cioè nel punto in cui le concentrazioni delle varie specie subiscono le variazioni maggiori

In particolare Il punto finale di una determinazione volumetrica può essere svelato: dal cambiamento di colore del reagente o dell’analita o di una sostanza appositamente introdotta definita indicatore; dall’intorbidamento della soluzione per formazione di una fase insolubile; dalla conducibilità elettrica della soluzione; dalla differenza di potenziale tra due elettrodi immersi nella soluzione; dall’indice di rifrazione della soluzione; dalla variazione della temperatura; dalla quantità di corrente che passa attraverso la soluzione

Di norma la curva risultante è di tipo sigmoide, nella quale le osservazioni importanti sono limitate ad una piccola zona (da  0,1 a  0,5 mL) intorno al punto di equivalenza.

Energia Chimica  Energia Elettrica Potenziometria Definizione Misura del potenziale elettrochimico di una cella galvanica, a corrente zero. Il potenziale di cella è governato dal potenziale di un elettrodo indicatore che risponde ai cambiamenti di attività (quindi di concentrazione) delle specie in esame. Strumentazione Elettrodo indicatore Elettrodo di riferimento Potenziometro Registratore Cella Galvanica  Cella elettrochimica che produce spontaneamente corrente (od energia) quando gli elettrodi vengono collegati esternamente attraverso un filo conduttore. Trasformazione Energia Chimica  Energia Elettrica

Corrente in una cella galvanica La diversa mobilità degli ioni genera una differenza di potenziale (ddp) ogni volta che si pongono a contatto due soluzioni Questa differenza di potenziale è quella chiamata potenziale di giunzione

Metodi potenziometrici Il potenziale di un elettrodo è determinato dalla concentrazione di una o più specie in soluzione. La dipendenza dalla concentrazione può essere utilizzata per ottenere informazioni analitiche. Elettrodi di riferimento Le misure elettroanalitiche che legano il potenziale alla concentrazione si basano sulla risposta di un solo elettrodo, mentre l’altro, idealmente, risulta indipendente dalla composizione della soluzione e delle condizioni utilizzate. Tale elettrodo, in grado di mantenere il proprio potenziale costante durante la misura è detto Da ricordare: Elettrodo ad idrogeno (universale) Elettrodo ad Ag/AgCl Elettrodo a calomelano ELETTRODO DI RIFERIMENTO

Elettrodo standard a idrogeno. Perché sia standard occorre che la pressione di H2 sia 1 atmosfera e che la concentrazione di H+ sia 1 molare. Il suo potenziale standard viene preso, per convenzione, come lo zero della scala dei potenziali ed è perciò un riferimento importante per definire la scala, benché esso sia piuttosto delicato da usare e sia difficile mantenerne le condizioni standard (se procede la reazione cambia infatti la concentrazione della soluzione). In effetti, anche se nella scala dei potenziali usata normalmente, i valori si considerano misurati rispetto a questo elettrodo in pratica se ne utilizzano altri, più semplici, stabili e riproducibili.

Equazione di Nerst Elettrodi ad argento / argento cloruro Un elettrodo di argento in una soluzione di cloruro di potassio saturata con argento cloruro (potenziale + 0,199 V a 25 °C ) Potenziale o fem di un elettrodo di riferimento Ag/AgCl/Cl- Equazione di Nerst

ELETTRODO DI RIFERIMENTO AD Ag/AgCl POTENZIOMETRIA ELETTRODO DI RIFERIMENTO AD Ag/AgCl Un elettrodo di riferimento dovrebbe possedere un potenziale noto e costante, in particolare indipendente dalla composizione della soluzione da analizzare. L’elettrodo ad argento/cloruro d’argento è costituito da un elettrodo di argento rivestito di AgCl ed immerso in una soluzione acquosa satura di KCl e AgCl. Nell’elettrodo avviene la semireazione ed il suo potenziale è dato dalla Il potenziale di un elettrodo ad argento/cloruro d’argento contenente una soluzione satura di KCl è pari a +0,197V rispetto all’elettrodo standard ad idrogeno. Filo di argento Rivestimento di AgCl(s) Soluzione acquosa saturata con KCl ed AgCl Setto poroso KCl ed AgCl solidi

Altri elettrodi di riferimento possono essere quelli a calomelano di schema (Hg/Hg2Cl2(sat), KCl(xM)), il cui E dipende da [Cl-], che può essere , per esempio, O,1M, 1M o saturo di Cl- con KCl solido presente al fondo.

Soluzione acquosa saturata con KCl ed Hg2Cl2 POTENZIOMETRIA ELETTRODO DI RIFERIMENTO A CALOMELANO Filo di platino L’elettrodo a calomelano saturo (SCE) consiste in un filo di platino immerso in mercurio liquido, a sua volta a contatto con una pasta di mercurio liquido, calomelano (Hg2Cl2) e KCl immersa in una soluzione satura di KCl ed Hg2Cl2. Nell’elettrodo avviene la semireazione ed il suo potenziale è dato dalla Il potenziale dell’elettrodo a calomelano saturo è pari a +0,241V rispetto all’elettrodo standard ad idrogeno. Hg(l) Soluzione acquosa saturata con KCl ed Hg2Cl2 Hg(l), Hg2Cl2(s), KCl(s) Setto poroso Setto poroso KCl solido

A – Elettrodo a vetro (pH) B – Elettrodo di riferimento C – Elettrodo combinato (A + B)

ELETTRODI IONOSELETTIVI A MEMBRANA POTENZIOMETRIA ELETTRODI IONOSELETTIVI A MEMBRANA Un elettrodo ionoselettivo a membrana risponde selettivamente ad una specie in soluzione ed è costituito da un elettrodo interno immerso in una soluzione contenente lo ione in esame ad una attività definita e costante e da una membrana ionoselettiva in grado di legare selettivamente lo ione in esame. All’equilibrio, la differenza di potenziale attraverso la membrana dipende dalla differenza di attività dello ione fra la soluzione interna all’elettrodo ed il campione in esame. Elettrodo interno Soluzione interna ad attività a2 Membrana ionoselettiva Soluzione esterna ad attività a1 In generale, la differenza di potenziale attraverso la membrana è legata alle attività dello ione all’interno dell’elettrodo (a2) ed all’esterno (a1) dalla relazione dove n è la carica dello ione. L’equazione è analoga all’equazione di Nernst, ma in questo caso non è implicata alcuna reazione di ossidoriduzione.

Elettrodi a membrana o iono-selettivi (ISE) Tipi di elettrodi ISE:  elettrodi a membrana di vetro elettrodi a membrana liquida elettrodi a membrana cristallina Requisiti fondamentali degli elettrodi ISE Un elettrodo ISE deve essere:  Disponibile commercialmente e di facile costruzione Facilmente maneggiabile Robusto e con scarsa tendenza all’avvelenamento Avere buona riproducibilità e sufficiente range di validità Specifico Avere un tempo di risposta accettabile Risposta nernstiana

Elettrodo a vetro per la misura del pH L'elettrodo a vetro è un particolare elettrodo a membrana che rappresenta il tipo di sonda più usato nei laboratori chimici per la misura del pH di soluzioni acquose tramite un potenziometro. Essendo necessari due elettrodi per la misura del pH (uno di misura e uno di riferimento), gli elettrodi a vetro disponibili sul mercato combinano in un unico corpo sia l'elettrodo a vetro vero e proprio, che funge da elettrodo di misura, con un secondo elettrodo interno, di riferimento. Un elettrodo a vetro di questo genere viene detto "combinato". L'elettrodo a vetro deve il nome al fatto che sua la parte sensibile al pH è una sottile membrana di vetro (sensibile agli ioni H+); il potenziale elettrico che si viene a creare sui due lati - interno e esterno - della membrana è funzione del pH della soluzione in cui la sonda viene immersa.

elettrodo di riferimento esterno POTENZIOMETRIA ELETTRODO A VETRO COMBINATO Una cella per la misura del pH consiste perciò in un elettrodo a vetro ed un elettrodo di riferimento immersi nella soluzione di cui si vuole misurare il pH. Per praticità, essi vengono in genere inclusi in un unico dispositivo (elettrodo a vetro combinato), che in realtà è una cella elettrochimica vera e propria in quanto contiene sia l’elettrodo a vetro che l’elettrodo di riferimento esterno. Filo di argento Filo di argento Rivestimento di AgCl(s) Rivestimento di AgCl(s) Soluzione saturata con KCl ed AgCl Soluzione ad attività nota di ione H+, saturata con AgCl Setto poroso Membrana di vetro KCl ed AgCl solidi L’elettrodo a vetro combinato contiene due elettrodi di riferimento, uno esterno ed uno interno all’elettrodo a vetro elettrodo di riferimento esterno elettrodo a vetro

Misurazione potenziometrica del pH Per la misura si usa uno strumento chiamato potenziometro. Misurazione potenziometrica del pH E’ necessaria la calibrazione con soluzioni tampone a pH noto. Gli elettrodi richiedono una attenta e corretta manutenzione. Range di pH misurabile: 0-14. 1- potenziometro (piaccametro) 2- elettrodo combinato 3- termometro 4- buretta 5- ancoretta magnetica 6- agitatore magnetico

Cosa non può mancare: Titolatore (automatico)

Un titolatore automatico altro non è che una pompa, capace di erogare volumi controllati di liquido (titolante), accoppiata con un voltmetro elettronico che permette di misurare il potenziale di un elettrodo indicatore dopo ogni aggiunta automatica di titolante. Nel caso di una titolazione acido-base, l’elettrodo indicatore è un normale elettrodo a vetro, per una di precipitazione degli alogenuri si usa un elettrodo ad Ag/AgCl. 42

Cromatografia Campi di ricerca Campionamento Tecnica Ottimizzazione Combinazioni Applicazioni

Campi di ricerca

Acque naturali Condense Lisciviati Cromatografia ionica Fase liquida Atmosfera Emissioni naturali Fase gassosa GasCromatografia Soluzioni x attacco su rocce e piante Cromatografia ionica Fase solida

Cromatografia liquida …dal 1975

I vantaggi Gli svantaggi Elevata sensibilità; Determinazioni rapide e multiple; Bassi costi; Bassa manipolazione e consumo campione; Gli svantaggi ….non avere un cromatografo

Il cromatografo è costituito da… Apparato iniezione; Apparato di separazione; Rivelatore.

L’iniezione Siringa (cromatografia ionica e gassosa) Valvola 6-8-12 vie (cromatografia gassosa) Camere desorbenti (cromatografia ionica e gassosa) Quantità iniettate: 5-250 mL

Le specie ioniche e gassose sono separate Separazione Le specie ioniche e gassose sono separate da una fase stazionaria. Il tempo di percorrenza del circuito di separazione è peculiare per ogni specie a parità di condizioni anatiliche. Su tale caratteristica “tempo di ritenzione” è effettuata l’analisi qualitativa

Fase stazionaria Fase mobile (eluente) E’ la fase che determina la separazione degli analiti. E’ collocata nella colonna di separazione ed è costituita da resine polari o apolari o da semplice materiale a grana fine (setacci) Fase mobile (eluente) Trasporta il campione attraverso il circuito di separazione. In cromatografia liquida è un liquido a bassa concentrazione ionica; in cromatografia gassosa è un gas inerte

I vari tipi di cromatografie: d'adsorbimento: si basa su un equilibrio d'adsorbimento tra una fase stazionaria solida e una fase mobile liquida. cromatografia di ripartizione: si basa su un equilibrio di ripartizione tra una fase stazionaria liquida ( o semiliquida) e una fase mobile liquida. gas cromatografia: si basa su una fase stazionaria liquida e una fase mobile gassosa. cromatografia a scambio ionico: si basa su un equilibrio di scambio ionico tra una resina a scambio ionico (la fase stazionaria) e una fase elettrolitica mobile. cromatografia ad esclusione: un equilibrio tra una fase liquida interna ed una esterna a un setaccio molecolare. cromatografia d'affinità: si basa su un equilibrio tra una macromolecola e una sostanza a basso peso molecolare basato sull'interazione specifica tra esse.

Ottimizzazione

Parametri di una colonna cromatografica Capacità: è il rapporto tra il volume di ritenzione di un componente ritenuto ed uno non ritenuto Selettività: è il rapporto tra i volumi di ritenzione di due componenti ritenuto Efficienza: è il numero di PIATTI TEORICI Il fine ultimo di ogni processo di separazione è quello di ottenere una risoluzione tra due componenti

Cromatografia ionica tradizionale

Spettrofotometria di assorbimento atomico Monocromatore Lampada a catodo cavo Lente Lente Nebulizzatore Fotomoltiplicatore Camera di combustione e Campione nebulizzazione Legge di Lambert-Beer Acetilene Scarico I o Log Assorbanza I Log o k.c.d I d I d Aria I o radiazione incidente k Coefficiente di assorbimento I d radiazione trasmessa c Concentrazione d Cammino ottico

Quello che…se ce l’hai, si utilizza… Spettrofotometria di assorbimento atomico Cationi maggiori e alcune specie «minori»

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Spettroscopia di assorbimento atomico Nella spettofotometria UV-VIS molecolare, il monocromatore permette di selezionare una stretta banda di lunghezze d’onda (per es. 0,1 – 2 nm) tra quelle emesse dalla sorgente. Questa banda passante può essere considerata monocromatica in quanto gli spettri di assorbimento molecolare sono costituiti da bande molto larghe. 1,0 nm CL in Scienze Ambientali 64

Schema di spettrofotometro AAS In Spettroscopia di assorbimento atomico per selezionare una riga di larghezza sufficientemente stretta (inferiore alla riga di assorbimento si sfrutta lo spettro di emissione atomica dello stesso elemento che si desidera determinare) si utilizzano le righe di risonanza. CL in Scienze Ambientali

Schema di spettrofotometri di AAS

CL in Scienze Ambientali La lampada a catodo cavo Una lampada a catodo cavo (HCL, Hollow Cathode Lamp) moderna consiste in un tubo di vetro riempito di un gas inerte (Ne o Ar) ad una pressione di circa 5 mmHg, nel quale sono inseriti un anodo formato da un filamento, di solito di tungsteno o nichel, e un catodo a forma di cilindro cavo, contenente il metallo o, più in generale, l’elemento di cui si desidera ottenere l’emissione delle righe di risonanza. Applicando agli elettrodi un campo elettrico di alcune centinaia di volt, i pochi ioni ed elettroni presenti nel gas inerte vengono accelerati e, data la bassa pressione, riescono a raggiungere un’energia cinetica sufficiente a ionizzare per urto altri atomi. A: anodo; B: corpo della lampada; C: catodo cavo; I: setti isolanti; QW: finestra di quarzo. CL in Scienze Ambientali Si ha quindi la formazione di un vero e proprio plasma, in cui gli ioni positivi colpiscono la superficie del catodo provocando lo sputtering (emissione di atomi da una superficie bombardata da particelle) degli atomi di cui essa è costituita. 67

CL in Scienze Ambientali La lampada a catodo cavo Gli atomi emessi dal catodo, passando attraverso la regione della scarica, ricca di ioni e atomi eccitati del gas nobile, sono eccitati a loro volta ed emettono le loro tipiche righe spettrali. Grazie alla costruzione della lampada e alla forma geometrica del catodo il fascio di radiazione emesso risulta relativamente ben collimato. CL in Scienze Ambientali A: anodo; B: corpo della lampada; C: catodo cavo; I: setti isolanti; QW: finestra di quarzo. 68

Nebulizzazione e selezione dell’aerosol Nebulizzatore ad ultrasuoni Selettore con sfera d’impatto

CL in Scienze Ambientali 70

HPLC

HPLC vs cromatografia convenzionale Sistema ad alta pressione Sistema convenzionale: percolamento per gravità Condizioni comuni ad entrambe le separazioni: Campione:0.5 mL di una soluzione di indofenolo di sodio e rosso di metile 0.5 mg/mL ciascuno in acqua/metanolo 85:15. Fase mobile: Acqua-metanolo 85:15 Fase stazionaria: gel di silice 100-200 mesh per il sistema convenzionale, lo stesso materiale per il sistema ad alta pressione macinato e passato attraverso un setaccio a 325 mesh

Principali vantaggi HPLC Alta sensibilità (nell’intervallo nano-picomoli) Buone risoluzioni Versatilità Velocità di analisi Analisi qualitative e quantitative Il campione non viene distrutto e le frazioni possono essere raccolte Di norma non richiede derivatizzazione del campione Le colonne sono riutilizzabili Può essere applicata all’analisi di : Nucleotidi, nucleosidi, basi o idrolizzati di DNA Farmaci e loro metaboliti Proteine, peptidi, amminoacidi Lipidi, steroidi Pesticidi Vitamine Alcaloidi Antiossidanti Plastificanti Aromi

9. Collettore di frazioni Diagramma a blocchi di un tipico sistema HPLC   1. Riserva di solvente 2. Sistema di gradiente 3.Pompe 4. Iniettore 5. Precolonna/colonna 6. Rivelatore 8. Misuratore di flusso 7. Registratore 9. Collettore di frazioni 10. Raccolta ed elaborazione dati

Colonne capillari

Spettrometri di massa Rivelatori Universali: Rivelatore ad indice di rifrazione Rivelatore a calore di assorbimento Rivelatore a ionizzazione di fiamma Spettrometri di massa Selettivi: Rivelatori UV-Vis Rivelatori di fluorescenza Rivelatori elettrochimici Rivelatori a conduttività elettrolitica Rivelatori polarografici Specifici: Rivelatori di radioattività Rivelatori chirali     Caratteristiche dei più comuni rivelatori usati in HPLC Sensibilità assoluta (dipende dalla caratteristiche costruttive) E’ il valore minimo della grandezza misurata che determina la deflessione a fondo scala del registratore ad un dato valore del rumore .   Sensibilità relativa E’ la minima concentrazione di soluto eluito che può essere distinto dal rumore (S/N=2)

Rivelatore ad assorbimento UV/Vis-3 Nella scelta della fase mobile bisogna considerare l’assorbimento nella regione di interesse analitico dei solventi utilizzati Assorbimento UV dei più comuni solventi

Con un po’ di fortuna (e soldi): ICP-MS

In acqua non c’è solo acqua… da non dimenticare i gas disciolti che possono fornire importanti informazioni

Per decompressione

Campionamento di gas disciolti «all’equilibrio

Ricalcolo della composizione Measured composition Calculated composition (Henry law) Dissolved gas composition = measured (gas phase) + calculated (liquid phase)