Appunti di Chimica analitica con esercitazioni

A
Fausta Palluotto
Appunti di Chimica analitica
con esercitazioni numeriche
Per il corso di laurea in Farmacia
Prefazione di
Roberto Perrone
Copyright © MMXIV
ARACNE editrice S.r.l.
www.aracneeditrice.it
[email protected]
via Raffaele Garofalo, /A–B
 Roma
() 
 ----
I diritti di traduzione, di memorizzazione elettronica,
di riproduzione e di adattamento anche parziale,
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senza il permesso scritto dell’Editore.
I edizione: marzo 
A mia figlia Marta
Indice
Prefazione............................................................................................ 13
Introduzione ........................................................................................ 15
Capitolo I - La chimica analitica ......................................................... 17
1.1.
1.2.
1.3.
1.4.
1.5.
Il significato di chimica analitica ..................................................................... 17
Stadi di un’analisi chimica .............................................................................. 17
Le aree tradizionali di applicazione della chimica analitica ............................ 18
La chimica analitica in ambito farmaceutico ................................................... 18
La chimica analitica tra presente e futuro ........................................................ 19
Capitolo II - Le più classiche attrezzature e le norme di
comportamento in laboratorio ............................................................. 21
2.1.
2.2.
2.3.
2.4.
2.5.
2.6.
2.7.
2.8.
Introduzione .................................................................................................... 21
Bilancia analitica ............................................................................................. 21
Matracci tarati ................................................................................................. 22
Pipette.............................................................................................................. 23
Burette ............................................................................................................. 24
Principali fonti di pericolo in laboratorio ........................................................ 25
Norme generali di comportamento in laboratorio ............................................ 25
Pericolosità delle sostanze chimiche ...............................................................26
Capitolo III - Richiami introduttivi di matematica ............................. 29
3.1.
3.2.
3.3.
3.4.
Notazioni esponenziali .................................................................................... 29
Logaritmi ......................................................................................................... 30
Unità SI ........................................................................................................... 32
La mole e il peso molare ................................................................................. 34
Capitolo IV - Valutazione dei dati analitici ........................................ 35
4.1.
4.2.
4.3.
4.4.
4.5.
4.6.
4.7.
4.8.
4.9.
4.10.
4.11.
Gli errori nella chimica analitica ..................................................................... 35
Accuratezza ..................................................................................................... 36
Precisione ........................................................................................................ 36
Media .............................................................................................................. 37
Mediana ........................................................................................................... 37
Deviazione standard, varianza e coefficiente di variazione ............................. 38
Distribuzione Gaussiana .................................................................................. 40
Intervallo di fiducia ......................................................................................... 45
Modo di riportare i dati analitici ...................................................................... 47
Cifre significative ............................................................................................ 48
Calcoli e cifre significative .............................................................................. 49
7
7
Indice
8 8 Indice
4.12.
Problemi.......................................................................................................... 50
Capitolo V - Soluzioni ........................................................................ 51
5.1.
Definizione di soluzione ................................................................................. 51
5.2.
Solubilità ......................................................................................................... 52
5.3.
Modi di esprimere la concentrazione delle soluzioni ...................................... 54
5.3.1.
Percentuale peso/peso ........................................................................ 55
5.3.2.
Percentuale peso/volume ................................................................... 56
5.3.3.
Percentuale volume/volume ............................................................... 57
5.3.4.
Parti per milione e parti per miliardo ................................................. 58
5.3.5.
Molarità ............................................................................................. 59
5.3.6.
Molalità.............................................................................................. 61
5.3.7.
Frazione molare ................................................................................. 62
5.3.8.
Normalità ........................................................................................... 63
5.3.9.
Conversione tra diversi modi di esprimere la concentrazione ............ 66
5.3.10.
Concentrazione di una soluzione ottenuta miscelando diverse
soluzioni ............................................................................................ 69
Preparazione di soluzioni ................................................................................ 73
5.4.
5.4.1.
Dissoluzione diretta del soluto nel solvente ....................................... 73
5.4.2.
Diluizione di soluzioni concentrate.................................................... 73
5.4.3.
Metodo del miscuglio o della croce ................................................... 76
5.5.
Concentrazione di alcune soluzioni di interesse farmaceutico ........................ 83
5.5.1.
Soluzioni idroalcoliche ...................................................................... 83
5.5.2.
Soluzioni acquose di perossido d’idrogeno........................................ 85
5.5.3.
Diluizioni omeopatiche ...................................................................... 87
5.5.4.
Preparazioni liquide per uso orale...................................................... 90
5.6.
Problemi.......................................................................................................... 92
Capitolo VI - Equilibri chimici........................................................... 95
6.1.
6.2.
6.3.
6.4.
6.5.
Costanti di equilibrio....................................................................................... 95
Costanti di equilibrio termodinamico .............................................................. 96
Forza ionica .................................................................................................... 97
Attività e coefficiente di attività ...................................................................... 98
Principio di Le Chatelier ............................................................................... 100
Capitolo VII - Equilibri acido-base .................................................. 101
7.1.
Gli equilibri acido-base in chimica analitica ................................................. 101
7.2.
Acidi e basi ................................................................................................... 101
7.3.
Anfoliti.......................................................................................................... 102
7.4.
Autoprotolisi dell’acqua................................................................................ 104
7.5.
Prodotto ionico dell’acqua ............................................................................ 104
7.6.
Il pH e il pOH ............................................................................................... 105
7.7.
Forza degli acidi e delle basi ......................................................................... 108
7.8.
Metodo sistematico per la risoluzione di problemi di equilibri multipli ....... 110
7.9.
Acidi forti...................................................................................................... 113
7.9.1.
Il pH di acidi forti ............................................................................ 114
7.9.2.
Il pH di acidi forti con il metodo sistematico ................................... 115
Indice
9
7.9.3.
Il pH di acidi forti con il metodo grafico ......................................... 118
7.10. Basi forti ........................................................................................................ 121
7.10.1.
Il pH di basi forti ............................................................................. 121
7.10.2.
Il pH di basi forti con il metodo sistematico.................................... 123
7.10.3.
Il pH di basi forti con il metodo grafico .......................................... 125
7.11. Acidi monoprotici deboli ............................................................................... 127
7.11.1.
Costante di dissociazione acida ....................................................... 127
7.11.2.
Il pH di acidi monoprotici deboli .................................................... 129
7.11.3.
Il pH di acidi monoprotici deboli con il metodo sistematico ........... 137
7.11.4.
Grado di dissociazione di acidi monoprotici deboli ........................ 140
7.12. Basi monofunzionali deboli ........................................................................... 141
7.12.1.
Costante di dissociazione basica ..................................................... 141
7.12.2.
Relazione tra Ka e Kb....................................................................... 142
7.12.3.
Il pH di basi monofunzionali deboli ................................................ 145
7.12.4.
Il pH di basi monofunzionali deboli con il metodo sistematico ...... 149
7.13. Sali ad idrolisi acida ...................................................................................... 152
7.13.1.
Il pH di sali ad idrolisi acida ........................................................... 152
7.13.2.
Il pH di sali ad idrolisi acida con il metodo sistematico .................. 155
7.14. Sali ad idrolisi basica ..................................................................................... 158
7.14.1.
Il pH di sali ad idrolisi basica .......................................................... 158
7.14.2.
Il pH di sali ad idrolisi basica con il metodo sistematico ................ 161
7.15. Acidi poliprotici ............................................................................................ 162
7.15.1.
Il pH di acidi poliprotici .................................................................. 164
7.15.2.
Il sistema acido carbonico-biossido di carbonio .............................. 170
7.15.3.
Il pH dell’acido solforico ................................................................ 173
7.16. Basi polifunzionali ........................................................................................ 176
7.16.1.
Il pH di basi polifunzionali.............................................................. 178
7.17. Anfoliti .......................................................................................................... 180
7.17.1.
Forme intermedie di acidi poliprotici .............................................. 180
7.17.2.
Amminoacidi ................................................................................... 186
7.18. Soluzioni tampone ......................................................................................... 190
7.18.1.
Il pH di soluzioni tampone .............................................................. 190
7.18.2.
Effetto dell’aggiunta di acidi o basi ad un tampone ........................ 200
7.18.3.
Potere tampone ................................................................................ 203
7.18.4.
Preparazione di un tampone ............................................................ 204
7.18.5.
Tamponi di interesse farmaceutico .................................................. 209
7.19. Diagramma di composizione frazionaria D/pH .............................................210
7.19.1.
Equazioni di composizione frazionaria per sistemi monoprotici ..... 210
7.19.2.
Equazioni di composizione frazionaria per sistemi poliprotici ........ 215
7.19.3.
Grado di ionizzazione dei farmaci ................................................... 216
7.19.4.
La solubilità dei farmaci ionizzabili in funzione del pH.................. 218
7.20. Il pH di miscele ............................................................................................. 222
7.20.1.
Il pH di una miscela acido forte-acido debole ................................. 222
7.20.2.
Il pH di una miscela base forte-base debole .................................... 224
7.20.3.
Il pH di soluzione da mescolamento acido forte - base forte ........... 225
7.20.4.
Il pH di soluzione da mescolamento acido forte - base debole........ 227
7.20.5.
Il pH di soluzione da mescolamento base forte - acido debole ........ 229
7.21. Problemi ........................................................................................................ 231
Indice
10 10 Indice
Capitolo VIII - Titolazioni volumetriche.......................................... 235
8.1.
8.2.
8.3.
8.4.
8.5.
I diversi tipi di titolazione ............................................................................. 235
Le titolazioni volumetriche: i principi ........................................................... 236
Soluzioni standard......................................................................................... 237
Calcoli volumetrici........................................................................................ 238
Problemi........................................................................................................ 238
Capitolo IX - Titolazioni acido-base ................................................ 239
9.1.
Le titolazioni acido-base: i principi............................................................... 239
9.2.
Indicatori acido-base ..................................................................................... 240
9.3.
Preparazione di soluzioni standard acide ...................................................... 244
9.4.
Preparazione di soluzioni standard basiche ................................................... 246
9.5.
Curve di titolazione ....................................................................................... 247
9.5.1.
Titolazione di un acido forte con una base forte .............................. 247
9.5.2.
Titolazione di una base forte con un acido forte .............................. 252
9.5.3.
Titolazione di un acido debole con una base forte ........................... 256
9.5.4.
Titolazione di una base debole con un acido forte ........................... 262
9.6.
Titolazioni in ambiente non acquoso ............................................................ 267
9.6.1.
Effetto livellante dell’acqua ............................................................. 268
9.6.2.
Titolazioni con acido perclorico in acido acetico ............................. 269
9.7.
Titolazioni di composti di interesse farmaceutico ......................................... 269
9.7.1.
Titolazione diretta acido debole con base forte in fase acquosa....... 269
9.7.2.
Titolazione diretta base debole con acido forte in fase acquosa....... 271
9.7.3.
Titolazioni indirette in fase acquosa ................................................ 271
9.7.4.
Titolazioni in ambiente non acquoso ............................................... 271
9.8.
Problemi........................................................................................................ 272
Capitolo X - Equilibri di solubilità ................................................... 273
10.1. Gli equilibri di solubilità in chimica analitica ............................................... 273
10.2. Sali solubili e sali poco solubili .................................................................... 273
10.3. Il prodotto di solubilità.................................................................................. 274
10.4. Calcolo della solubilità in acqua ................................................................... 277
10.5. Effetto dei soluti indissociati sul calcolo della solubilità .............................. 279
10.6. Fattori che influenzano la solubilità .............................................................. 280
10.6.1.
Variazione della temperatura ........................................................... 281
10.6.2.
Effetto dello ione a comune ............................................................. 282
10.6.3.
Effetto sale ....................................................................................... 284
10.6.4.
Effetto del pH .................................................................................. 288
10.7. Reazioni di precipitazione. Concentrazione di agente precipitante ............... 295
10.8. Separazione di ioni attraverso reazioni di precipitazione .............................. 298
10.9. Idrossidi poco solubili ................................................................................... 303
10.9.1.
Prodotto di solubilità di idrossidi poco solubili ............................... 303
10.9.2.
Solubilità a pH costante di idrossidi poco solubili ........................... 304
10.9.3.
Solubilità in acqua di idrossidi poco solubili ................................... 304
10.9.4.
pH di precipitazione di idrossidi poco solubili................................ 306
10.9.5.
Separazione di ioni come idrossidi poco solubili ............................. 309
10.10. Problemi........................................................................................................ 312
Indice
11
Capitolo XI - Titolazioni per precipitazione ..................................... 315
11.1. Le titolazioni per precipitazione: i principi .................................................... 315
11.2. Le titolazioni argentometriche ....................................................................... 315
11.3. Curve di titolazione argentometrica............................................................... 316
11.4. Indicatori per titolazioni argentometriche...................................................... 321
11.4.1.
Metodo di Mohr (indicatore ione cromato) ..................................... 322
11.4.2.
Metodo di Fajans (indicatori ad adsorbimento) ............................... 324
11.4.3.
Metodo di Volhard (indicatore Fe3+) ............................................... 324
11.5. Problemi ........................................................................................................ 325
Capitolo XII - Equilibri di complessazione ...................................... 327
12.1.
12.2.
12.2.
12.3.
12.4.
12.5.
12.6.
Gli equilibri di complessazione in chimica analitica ..................................... 327
Formazione di complessi ............................................................................... 327
Concentrazioni delle diverse specie e valori alfa ........................................... 330
La solubilità di sali poco solubili in presenza di agenti complessanti ............337
Destabilizzazione dei complessi per formazione di precipitati ...................... 346
Gli idrossidi anfoteri ...................................................................................... 347
Problemi ........................................................................................................ 353
Capitolo XIII - Titolazioni complessometriche ................................ 355
13.1.
13.2.
13.3.
13.4.
13.5.
13.6.
Le titolazioni complessometriche: i principi ................................................. 355
L’EDTA: proprietà acido-base ...................................................................... 355
Complessi dell’EDTA con ioni metallici ....................................................... 357
Curve di titolazione con EDTA ..................................................................... 359
Indicatori per titolazioni con EDTA .............................................................. 365
Problemi ........................................................................................................ 366
Bibliografia ....................................................................................... 367
Appendice 1. Tabelle Alcoolimetriche ............................................. 369
Appendice 2. Costanti di dissociazione acida a 25°C ....................... 371
Appendice 3. Costanti prodotto di solubilità a 25°C ........................ 373
Appendice 4. Costanti di formazione a 25 °C ................................... 375
Risposte a problemi selezionati......................................................... 377
Indice Analitico ................................................................................. 379
Prefazione
Quale Direttore del Dipartimento di Farmacia-Scienze del Farmaco
dell’Università degli Studi di Bari, apprezzo molto l’iniziativa lodevole della prof.ssa Fausta Palluotto che con la pubblicazione del testo
“Appunti di chimica analitica con esercitazioni numeriche” dà un fattivo contributo all’apprendimento da parte degli studenti del corso di
laurea in Farmacia.
Il Direttore
Roberto Perrone
13
Introduzione
Questo libro deriva dalle dispense dell’insegnamento di “Chimica
analitica con esercitazioni numeriche e di laboratorio” che ho svolto
presso l’Università degli Studi di Bari per il corso di laurea in Tecniche Erboristiche negli anni 2002-2006 e per il corso di laurea in Farmacia negli anni 2007-2013.
Esiste attualmente una vasta scelta di autorevoli trattati di chimica
analitica di autori italiani e stranieri. Questo testo non ha le pretese di
sostituirsi ad essi; nascendo come una semplice elaborazione descrittiva delle dispense del corso, può essere inteso come una raccolta di appunti ed esercizi di chimica analitica.
Secondo l’attuale curriculum di studi del corso di laurea in Farmacia, ai cui studenti è prevalentemente rivolto il testo, l’insegnamento
di chimica analitica si inserisce come tramite tra il corso di chimica
generale di base e i corsi più specifici di analisi chimico-farmaceutica,
nei quali sono trattati i metodi classici e strumentali per la valutazione
quali-quantitativa dei prodotti farmaceutici.
La stesura, caratterizzata dal linguaggio semplice di una dispensa
universitaria, è articolata essenzialmente in due parti. La prima parte
riporta nozioni di base indispensabili per la chimica analitica; in particolare sono trattate le espressioni delle concentrazioni di soluzioni e la
valutazione statistica dei dati. Segue una trattazione estesa degli equilibri acido-base, di precipitazione, di complessazione; per ciascuno di
essi vengono illustrati i principi e le applicazioni nell’analisi quantitativa classica; viene riportato inoltre l’approccio sistematico degli equilibri presenti simultaneamente in soluzione. Sono stati inseriti diversi
15
Introduzione
16 16 Introduzione
esempi ed applicazioni in campo farmaceutico. Per tutti gli argomenti
trattati sono presentati problemi con risoluzione.
La parte teorica è stata condotta all’essenziale a favore di esercitazioni numeriche che rendano facilmente accessibili gli stessi approcci
teorici.
Spero che questa raccolta di appunti ed esercizi possa fornire agli
studenti un ausilio per la parte applicativa e numerica della chimica di
base e per lo studio dei fondamenti della chimica analitica classica.
Mi scuso in anticipo per eventuali errori nella stesura e sarò grata a
coloro che vorranno far pervenire correzioni e suggerimenti.
I testi autorevoli che costituiscono la bibliografia e hanno ispirato
la mia modesta scrittura sono riportati alla fine del libro.
L’autore
Capitolo I - La chimica analitica
1.1. Il significato di chimica analitica
La chimica analitica è una disciplina di origine antichissima, ma in
continua e rapida evoluzione, che studia metodi, strumenti e strategie
per conoscere la composizione e la struttura della materia.
La chimica analitica si occupa delle analisi chimiche. Un processo
di analisi di un campione può essere qualitativo, ossia avere come obiettivo l’identificazione dei suoi componenti, oppure quantitativo,
ossia proporsi la misura della quantità dei costituenti. Per le analisi ci
si può avvalere di metodi classici (gravimetrici o volumetrici) o di metodi strumentali, ad esempio spettroscopici.
1.2. Stadi di un’analisi chimica
Un’analisi chimica è una procedura abbastanza complessa che si
avvale di diversi stadi, che sono riportati sinteticamente di seguito.
- Scelta del metodo di analisi, che richiede intuizione, esperienza,
valutazione del grado di accuratezza richiesto, considerazioni sui costi
e sui tempi necessari.
- Campionamento, ossia l’acquisizione di un campione rappresentativo del materiale che si vuole analizzare.
- Preparazione del campione, ossia la conversione del campione
rappresentativo in una forma adatta per l’analisi il che spesso prevede
la rimozione o il mascheramento delle specie che possono interferire
con l’analisi chimica.
17
17
Capitolo
I
18 18 Appunti
di Chimica
analitica con esercitazioni numeriche
- Analisi vera e propria che può essere di tipo qualitativo o quantitativo; se possibile, l’analisi viene effettuata su diverse aliquote identiche del campione, in modo da ottenere misure replicate.
- Valutazione dei risultati con stima dell’attendibilità, fase in cui la
statistica è fondamentale.
1.3. Le aree tradizionali di applicazione della chimica analitica
La chimica analitica trova numerosissime aree di applicazione; per
fornire solo gli esempi più classici si possono citare analisi chimicofarmaceutiche (controllo di qualità e quantità di principi attivi di medicinali), analisi chimico-cliniche (dosaggio di componenti in fluidi
biologici come sangue e urine), controllo degli inquinanti ambientali,
controllo della qualità degli alimenti, analisi di materiali tecnologici,
controllo di qualità nelle industrie manifatturiere, analisi legali (controllo della conformità a limiti legali).
1.4. La chimica analitica in ambito farmaceutico
L’analisi chimico-farmaceutica riveste un ruolo fondamentale nella
tutela della salute dell’uomo.
Nel settore farmaceutico il concetto di qualità di un medicinale si
riferisce essenzialmente al corretto contenuto in principio attivo;
l’analisi chimica è essenziale per garantire la sicurezza e l’efficacia di
un prodotto farmaceutico.
Metodologie analitiche convalidate per il dosaggio del principio
attivo e delle sue impurezze sono oggi richieste dagli organi governativi per la commercializzazione delle specialità medicinali.
Il settore controllo di qualità ha un ruolo chiave all’interno delle
industrie farmaceutiche.
Negli ultimi anni è purtroppo notevolmente aumentato il commercio dei medicinali contraffatti ed è quindi di fondamentale importanza
seguire la vita del “medicinale” nelle fasi di produzione, immissione
in commercio, dispensazione e distribuzione, per evitare che la filiera
i.
La chimica analitica
19
farmaceutica possa essere inquinata da principi attivi, sostanze e farmaci illegali, potenzialmente pericolosi per la salute pubblica.
L’incremento registrato a livello mondiale nella diffusione di farmaci contraffatti o illegali è in larga parte riconducibile al proliferare
di negozi virtuali su Internet che vendono medicinali di dubbia provenienza o non conformi alle informazioni riportate in etichetta, che attirano tuttavia clienti inconsapevoli dei rischi grazie ad una serie di
promesse come la riservatezza della spedizione, la qualità della produzione, le caratteristiche “naturali” degli ingredienti, ma soprattutto
grazie ad un prezzo di vendita sensibilmente più basso rispetto al prodotto legale autorizzato sul mercato.
Il primo passo per l’individuazione di farmaci contraffatti è paragonare l’aspetto fisico, il testo sulla confezione, i foglietti illustrativi
di campioni sospetti con prodotti autentici; tuttavia a causa delle contraffazioni sempre più sofisticate, l’ispezione visiva spesso non è sufficiente a distinguere farmaci autentici da farmaci contraffatti. A tal
proposito é di fondamentale importanza l’analisi chimica. Permettendo la determinazione qualitativa e quantitativa della composizione dei
farmaci, consente l’individuazione di farmaci contraffatti; in alcuni
casi si ricorre a semplici metodi ad esempio colorimetrici o cromatografici, in altri casi a metodi spettroscopici.
1.5. La chimica analitica tra presente e futuro
I progressi della chimica analitica negli ultimi anni sono stati notevoli. Grazie alla ricerca creativa e al duro lavoro di ricercatori, oggi è
possibile effettuare la determinazione simultanea di centinaia di componenti in un unico campione a concentrazioni molto basse.
Per secoli l’analisi chimica è stata destinata alla determinazione
della concentrazione di componenti in un campione. Ora questo non è
più sufficiente; sono in continuo sviluppo metodi e strumenti per lo
studio della distribuzione dei componenti all’interno o sulla superficie
del campione.
Un campo in cui i progressi della chimica analitica sono stati notevoli è quello farmaceutico. Ad esempio molti farmaci sono delle miscele racemiche ma solo un isomero ha attività terapeutica; a questo
Capitolo
I
20 20 Appunti
di Chimica
analitica con esercitazioni numeriche
scopo la chimica analitica è in grado di determinare un isomero in presenza anche dell’altro attraverso diversi metodi tra cui la cromatografia chirale a scambio di ligandi.
I metodi analitici al giorno d’oggi vengono proposti non solo dai
ricercatori chimici, ma anche dai fisici, dai biologi e dai medici.
Oggi la chimica analitica insieme alla biologia molecolare e alla
biochimica lavora meravigliosamente nell’identificare strutture molecolari complesse come quelle delle proteine, degli acidi nucleici e degli enzimi. Tecniche analitiche sono state sviluppate per analizzare
singole cellule; la diagnostica medica mette a disposizione metodi analitici per la rilevazione delle malattie.
La chimica analitica attualmente offre la possibilità di eseguire analisi addirittura senza il contatto diretto dell’operatore con il campione;
esempi di analisi a distanza sono studi della composizione del terreno,
dell’atmosfera, dei pianeti, del sistema solare.
Accanto alle più recenti applicazioni restano comunque sempre applicazioni tradizionali, come la semplice determinazione del pH di soluzioni, del grasso nel latte, dell’umidità nel grano, del glucosio nel
sangue.
I metodi analitici sono oggi davvero numerosi; i metodi classici attualmente sono per lo più automatizzati ed utilizzati in combinazione
con tecniche moderne di registrazione del segnale e di elaborazione
dei dati; metodi elettrochimici, cromatografici e spettrometrici sono in
continua evoluzione.
La selezione dei metodi resta comunque sempre governata non solo
dal loro potenziale analitico e applicabilità ad un campo particolare,
ma anche da circostanze concomitanti a volte estremamente importanti quali le condizioni finanziarie, la presenza di personale qualificato,
la disponibilità di attrezzature.
La ricerca di efficienti metodi analitici è in continua evoluzione e
rappresenta un ambito in cui sono stati assegnati molti premi Nobel.

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