CHIMICA ANALITICA INTRODUZIONE (CAS-1) L.S. in Scienze e tecnologie alimentari Anno Accademico 2008/2009 Corso integrato: Controllo delle modificazioni chimiche negli alimenti (7 CFU) Modulo di: Chimica analitica strumentale (4 CFU) Giorgio Bonaga CHIMICA ANALITICA INTRODUZIONE (CAS-1)

SOCRATE: se per esempio uno separasse da tutte le arti, l'arte del contare, quella del misurare e quella del pesare, sarebbe insignificante quel che resterebbe di ciascuna. PLATONE, Filebo (dialogo tra SOCRATE, PROTARCO e FILEBO) PLATONE ERA UN CHIMICO ANALITICO ?

IL LINGUAGGIO DELLE MISURE SISTEMI DI MISURA GRANDEZZA SISTEMA CGS (Gauss, 1832) SISTEMA MKSA (G. Giorgi, 1940) International System IS (1961) lunghezza centimetro (cm) metro (m) massa grammo (g) chilogrammo (kg) tempo secondo (s) intensità di corrente elettrica ampére (A) temperatura assoluta kelvin (K) quantità di sostanza mole (mol) intensità luminosa candela (cd) PER I PIU’ CURIOSI: IL LINGUAGGIO DELLE MISURE http://www.inrim.it/ldm/cd_ldm/html/protagonisti/02.htm 3

PREFISSI DELLE UNITA’ DI MISURA esponenziale prefisso simbolo 1024 yocta - Y 1021 zepta - Z 1018 exa - E 1015 peta - P 1012 tera - T 109 giga- G 106 mega- M 103 kilo- K 102 etto- h 101 deca- da 100 - (g, s, m) 10-1 deci- d 10-2 centi- c 10-3 milli- m 10-6 micro- mu (m) 10-9 nano- n 10-12 pico- p 10-15 femto- f 10-18 atto- a 10-21 zepto- z 10-24 yocto- y

analisi quantitativa: CHIMICA ANALITICA analisi qualitativa: quali specie chimiche (elementi, ioni, radicali, molecole) o gruppi funzionali sono presenti in un dato campione di materia ? analisi quantitativa: in quale quantità le specie chimiche o i gruppi funzionali sono presenti in un dato campione di materia ? Na SO4- - CH3O . C6H6 R-X S E P A R A Z I O N E 3 di CH3OH 3 di HCl 6 di H2S

CLASSIFICAZIONE DEI METODI ANALITICI Metodi classici separazione dei componenti per precipitazione, estrazione e distillazione allo scopo di ottenere gli “analiti”. Analisi qualitativa: trattamento degli analiti con reagenti per ottenere dei prodotti riconoscibili da: - colore - odore - punto di ebollizione o di fusione - solubilità in diversi solventi - attività ottica - indice di rifrazione Analisi quantitativa: determinazione delle quantità di analiti mediante: - metodi gravimetrici o ponderali (massa dell’analita o di un suo derivato) - metodi volumetrici o titrimetrici (determinazione del volume o del peso di un reagente che reagisce quantitativamente con l’analita) Metodi strumentali

ANALISI QUANTITATIVA METODI GRAVIMETRICI METODI PER PRECIPITAZIONE METODI PER VOLATILIZZAZIONE METODI VARI METODI VOLUMETRICI (TITRIMETRICI) COMBINAZIONE DI IONI E MOLECOLE 1. titolazione acido/base 2. titolazione per precipitazione 3. titolazione di complessamento 4. combinazione di molecole TRASFERIMENTO DI ELETTRONI 5. titolazioni per red-ox 7

METODI GRAVIMETRICI Nell’analisi gravimetrica l’analita viene separato dagli altri costituenti del campione in una forma pura, che può essere l’analita stesso o un suo derivato noto e dalla cui massa si può risalire a quella dell’analita. METODI PER PRECIPITAZIONE L’analita viene separato sottoforma di un derivato praticamente insolubile. Esempio: determinazione dei cloruri in una soluzione. La soluzione del campione viene trattata con una soluzione di AgNO3: AgNO3 + Cl -  AgCl  + NO3 - L’AgCl forma un precipitato che viene filtrato, lavato con una soluzione molto diluita di HNO3 per eliminare i sali solubili, poi essicato a 100-200°C. Il peso di AgCl consente di risalire al contenuto in peso o in percentuale dei cloruri presenti nel campione analizzato.

METODI PER VOLATILIZZAZIONE L’analita o gli analiti sono volatili o possono venire trasformati in sostanze volatili. Metodi diretti Il componente volatilizzato viene assorbito in un mezzo di cui si determina l’aumento di massa. Esempio: determinazione dell’acqua in un solido. Si riscalda il campione alla temperatura opportuna (> 100°C) e l’acqua volatilizzata viene fatta assorbire da un essicante adatto, come ad esempio il Mg(ClO4)2 anidro (l’eventuale presenza di carbonati non interferirebbe perché il CO2 non viene trattenuto dal perclorato di magnesio anidro). La quantità di acqua viene calcolata sulla base dell’aumento della massa di sale anidro rispetto la sua massa iniziale. METODI VARI Non rientrano nelle due categorie precedenti e consistono in semplici metodi fisici (filtrazioni, galleggiamenti selettivi, ecc.) e chimici (reattività selettiva verso un componente, ecc.).

METODI VOLUMETRICI Titolazione acido/base (alcalimetria e acidimetria) Sono le tradizionali titolazioni degli acidi con soluzioni basiche e viceversa (in presenza di opportuni indicatori). COMBINAZIONE DI IONI E MOLECOLE 2. Titolazione di precipitazione (argentimetria) Utilizza una soluzione di nitrato d’argento come titolante del sale di argento insolubile che si forma (in presenza di opportuni indicatori). 3. Titolazione di complessamento Utilizza una soluzione complessante (chelante, per esempio EDTA = acido etilendiamminotetracetico) come titolante dei complessi che si formano (in presenza di opportuni indicatori). 4. Combinazione di molecole Dosa la soluzione di una sostanza che reagisce selettivamente con una soluzione di reagente titolante (in presenza di opportuni catalizzatori). 5. Titolazione per ossido-riduzione Utilizza una soluzione di un riducente per titolare la soluzione di un ossidante e viceversa, mediante misurazione delle variazioni potenziometriche. TRASFERIMENTO DI ELETTRONI

in soluzione i due termini sono sinonimi METODI STRUMENTALI La chimica analitica strumentale moderna nasce dalla combinazione tra la “chimica analitica dei segnali” ed i “metodi cromatografici”. A partire dagli anni ‘30 sono state utilizzate le proprietà fisiche degli analiti (conducibilità, potenziale elettrico, assorbimento ed emissione di luce, rapporto m/z, fluorescenza, ecc.) per l’analisi quantitativa (che è sempre anche qualitativa, ma non viceversa) di un grande numero di analiti inorganici, organici e biologici. Insieme ai segnali analitici si sono diffuse le tecniche di separazione cromatografica che, progressivamente, hanno sostituito la distillazione, l’estrazione e la precipitazione sempre per ottenere la separazione dei componenti di una miscela complessa da sottoporre all’analisi quantitativa. I metodi strumentali sono quelli che utilizzano le proprietà fisiche delle sostanze per ottenere i segnali analitici idonei all’analisi qualitativa e/o quantitativa delle matrici. Essenzialmente si utilizzano 6 segnali elettromagnetici, 4 elettrici e 4 di natura varia. ANALITA = SOLUTO ? in soluzione i due termini sono sinonimi

SEGNALI METODI STRUMENTALI emissione di radiazioni spettroscopia di emissione (raggi X, UV, VIS), fluorescenza, fosforescenza, luminescenza (raggi X, UV, VIS) assorbimento di radiazioni spettrofotometria e fotometria (raggi X, UV, VIS, IR), spettroscopia fotoacustica, NMR, ESR diffusione di radiazioni turbidimetria, nefelometria, spettroscopia Raman rifrazione di radiazioni rifrattometria, interferometria diffrazione di radiazioni diffrazione di raggi X, diffrazione di elettroni rotazione di radiazioni polarimetria, dispersione ottica rotatoria, dicroismo potenziale elettrico potenziometria, cronopotenziometria carica elettrica coulombometria corrente elettrica polarografia, amperometria resistenza elettrica conduttimetria rapporto m/z spettrometria di massa velocità di radiazione metodi cinetici proprietà termiche conducibilità termica e metodi entalpimetrici radioattività metodi di attivazione e diluizione isotopi ELETTROMAGNETICI ELETTRICI VARI

PIONIERI DELLA CROMATOGRAFIA ANNO AUTORI INNOVAZIONE 1903 Tswett separazione e isolamento di pigmenti vegetali (LSC) 1931 Lederer & Kuhn isolamento di carotenoidi (LSC) 1938 Ismailov & Shraiber detector per cromatografia su colonna (CCD) 1941 Martin & Synge cromatografia di partizione (LLC) 1944 Consden, Gordon & Martin cromatografia su carta (PC) e su strato sottile (TLC) 1949 Speeding & Tompkins cromatografia ionica (IC) 1952 Martin & James gascromatografia (GC) 1957 Golay colonne capillari per gascromatografia (CGC) 1959 Porath & Flodin cromatografia ad esclusione dimensionale (SEC) 1965-1970 Halasz, Horvath & Kirkland cromatografia liquida ad elevata prestazione (HPLC) gascromatografia ad elevata risoluzione (HRGC) 13

EVOLUZIONE DEI METODI CROMATOGRAFICI GASCROMATOGRAFIA (GC e HRGC) Colonna impaccata (GC) capillare (HRGC) megabore (HRGC) Iniettore splitless split operatore DCI on column automatico Rivelatore katarometro conducibilità termica (TCD) ionizzazione di fiamma (FID) cattura di elettroni (ECD) termoionizzazione (TID) fotoionizzazione (PID)

GASCROMATOGRAFIA LIQUIDA AD ELEVATA PRESTAZIONE (HPLC) Colonna adsorbimento (LSC) fase inversa (RPC) scambio ionico (IEC) esclusione dimensionale (SEC) fluido supercritico (SFC) Rivelatore filo rifrattometro (RID) UV (DAD) fluorescenza (FD) diffusione di luce (LSD) FT-IR