Analisi chimica quantitativa

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Analisi chimica quantitativa

Determinazione della quantità degli elementi o delle sostanze contenute in un campione

Una volta analizzato un corpo dal punto di vista qualitativo, si passa alla determinazione delle quantità di tutti i suoi componenti. Tale operazione viene effettuata, a seconda dei casi, con determinazioni di massa, di volume, oppure con uso di strumenti particolari; pertanto avremo tre settori principali dell’analisi chimica quantitativa: gravimetrica, volumetrica, strumentale.

I concetti operativi principali dell’analisi quantitativa sono quello di mole, di peso molecolare o peso formula, di Massa molare e di Molarità.

Mole: la quantità di sostanza contenente un numero di particelle elementari pari a quelle contenute in 12g di ¹²C ( cioè al valore della costante di Avogadro N, ovvero 6.022x10²³). Si ricorda che il valore della costante di Avogadro fu determinato per la prima volta da J.Perrin nel 1905 e che la quantità di sostanza è una delle sette grandezze fondamentali del Sistema Internazionale di misura e si indica con il simbolo n; l’unità di misura di tale grandezza è appunto la mole (simbolo: mol).

E’ importante riuscire a separare il concetto di quantità di sostanza da quello di massa, il quale è tutt’altra cosa, anche se indirettamente è legato al precedente, tant’è che il linguaggio comune associa il concetto di quantità di materia a quello di massa, o meglio a quello di peso (che è addirittura una forza), e quindi occorre fare uno sforzo notevole all’inizio per liberarsi di queste semplificazioni e distinguere con chiarezza le tre grandezze.

Peso molecolare e Peso formula (meglio denominabili con Massa molecolare e Massa formula): somma dei pesi atomici di tutti gli atomi componenti una molecola (PM) o componenti una unità formula per le sostanze con legame di tipo ionico (PF).

Si esprime in u che corrisponde ad un dodicesimo della massa dell’isotopo del Carbonio con numero di massa 12 (sei protoni + sei neutroni).

Massa molare: la massa (in grammi quindi) di una mole di una sostanza e corrisponde al PM o al PF di quella sostanza espresso in grammi. Ed ecco quel legame indiretto tra quantità di sostanza e massa a cui prima abbiamo accennato. E’ evidente che storicamente è nato prima il concetto di massa molare che quello di mole. La relazione fra le due grandezze si può così rappresentare:

Massa molare (MM) x Quantità di sostanza (n) = Massa (m)

quindi Massa molare = Massa / Quantità di sostanza

e in simboli MM = m / n (g/mol)

Molarità: la quantità di sostanza (in moli) di soluto contenuta in un volume (in litri) di soluzione.

Si tratta del modo principale per esprimere la concentrazione delle soluzioni in chimica e si può riassumere nella seguente formula:

M = n / V (mol/L) (soluto/soluzione)

ANALISI QUANTITATIVA GRAVIMETRICA:

Si basa sulla determinazione delle masse, e quindi ha come strumento di riferimento principale la bilancia analitica (sensibilità 0.0001 g).

L’uso della bilancia analitica prevede una serie di accorgimenti e di operazioni preliminari lunghe e accurate. Infatti ogni corpo che viene misurato a questo livello di sensibilità deve essere preventivamente liberato dall’acqua igroscopica, cioè quella che si deposita superficialmente con basse forze di adesione. A tale scopo il campione deve essere messo per alcune ore in stufa a bassa temperatura e trasportato alla bilancia dentro contenitori speciali contenenti sostanze che assorbono tutta l’umidità all’interno (essiccatori).

Anche la bilancia deve essere protetta, chiusa e appoggiata su speciali tavoli ad assorbimento oscillatorio e vibratorio.

Dopo la prima pesata il corpo in esame deve essere rimesso in stufa e ripesato fino a che non si hanno due pesate consecutive uguali.

Tutti questi accorgimenti richiedono molto tempo a disposizione.

ANALISI QUANTITATIVA STRUMENTALE:

Si basa sull’utilizzazione di strumenti di vario genere (colorimetri, spettrofotometri, gascromatografi, piaccametri, conducimetri, potenziometri, etc) che misurano la variazione di alcune grandezze in relazione alla quantità di certe sostanze ricercate.

ANALISI QUANTITATIVA VOLUMETRICA:

Si basa sulla misurazione dei volumi, ed ha come oggetti strumentali di riferimento la buretta graduata,

la pipetta tarata e il palloncino (matraccio) tarato.

L’esecuzione di questo tipo di analisi è veloce e particolarmente adatta a sostanze in soluzione

La tecnica centrale dell’analisi volumetrica è la titolazione cioè la determinazione del titolo (= concentrazione) di una soluzione attraverso la reazione completa con un’altra di cui si conosce esattamente la concentrazione.

Questa reazione avviene attraverso l’aggiunta controllata (a goccia a goccia) del titolante, posto nella buretta graduata, al titolando, collocato in un becher o beuta di piccole dimensioni, fino al raggiungimento del punto equivalente cioè fino a quando le moli del titolante e del titolando si equivalgono (nel rispetto dei coefficienti stechiometrici).

E’ ovvio quindi che occorre un sistema per poter individuare il punto equivalente in tutti quei casi in cui non viene evidenziato dalla reazione stessa. Pertanto vengono aggiunte piccolissime quantità di sostanze, dette indicatori, che al completamento della reazione danno segnali visibili e precisi.

Nella definizione di punto equivalente bisogna sottolineare l’uso dell’espressione “si equivalgono” invece di “sono uguali”, infatti ogni mole di sostanza in una reazione esprime un potenziale diverso a seconda della sua valenza, per cui ciò che si eguaglia è il prodotto delle moli per la valenza,e questo si può individuare anche dai coefficienti stechiometrici della reazione.

Pertanto al punto equivalente si ha la seguente eguaglianza:

n (titolante) x valenza del titolante = n (titolando) x valenza del titolando

n (te) x val (te) = n (do) x val (do)

Dalla formula per il calcolo della molarità: M = n / V

Ricaviamo n: n = M x V

Quindi : n (te) = M (te) x V (te) e n (do) = M (do) x V (do)

Allora: se al punto equivalente n (te) x val (te) = n (do) x val (do)

Vale anche: M (te) x V (te) x val (te) = M (do) x V (do) x val (do)

Pertanto la Molarità incognita, cioè M (do), sarà così ricavata:

M (do) = M (te) x V (te) x val (te) / V (do) x val (do)

Titolazioni acido-base: quelle titolazioni che sfruttano la reazione tra un acido e una base.

Acido (secondo Arrhenius): sostanza che in soluzione acquosa libera ioni H⁺.

Es: HCl → H⁺ + Cl^-

Base (secondo Arrhenius): sostanza che in soluzione libera ioni OH^-.

Es: NaOH → Na⁺ + OH^-

La valenza di un acido o di una base dipenderà dal numero di ioni H⁺ o OH^- che ogni molecola di acido o di base libererà in soluzione acquosa.

Es: HCl → H⁺ + Cl^- monovalente

H₂SO₄ → 2H⁺ + SO₄^2- bivalente

H₃PO₄ → 3H⁺ + PO₄^3- trivalente

NaOH → Na⁺ + OH^- monovalente

Ca(OH)₂→ Ca²⁺ + 2OH^- bivalente

Al(OH)₃→ Al³⁺ + 3OH^- trivalente

Nelle titolazioni acido-base, vengono utilizzati indicatori (acido-base) che cambiano colore a seconda se la soluzione è acida o basica. I più comuni tra questi sono il Metilarancio e la Fenolftaleina.

Metilarancio: viene utilizzato soprattutto per titolare una base con un acido ed ha colore giallo in ambiente basico, rosa in ambiente acido, giallo-rosa in ambiente neutro.

Fenolftaleina: viene utilizzata per titolare soluzioni acide con soluzioni basiche ed è incolore in ambiente acido e rosa o porpora in ambiente basico.

La prima parte della nostra esercitazione sarà costituita dalla preparazione di una congrua quantità di soluzione acquosa di NaOH a titolo noto ed esatto (circa 0.10 M) per poter poi effettuare con questa una serie di titolazioni di miscele acide di uso comune.

Ma l’NaOH è una sostanza che non può essere preparata per pesata analitica, perché reagisce velocemente con la CO₂dell’aria alterandosi e vanificando la pesata:

2NaOH + CO₂ → Na₂CO₃ + 2H₂O

Pertanto occorrerà determinare l’esatta concentrazione della nostra soluzione attraverso una titolazione con una soluzione acida.

La nostra esercitazione si svolgerà quindi in tre fasi:

Fase 1: Preparazione di una soluzione acquosa di NaOH circa 0.10 M.

Come già detto non si può pesare l’NaOH in maniera analiticamente esatta, perciò dovremo pesarne una quantità approssimativa e in più eliminare quella quantità di carbonato di sodio che si formerà sulla superficie delle gocce solide della nostra sostanza.

Dunque prepareremo al banco di lavoro:

- una bottiglia di vetro da un litro con tappo;

- una bacchettina di vetro;

- un imbuto a canna larga;

- un vetro d’orologio grande;

Tutti questi oggetti dovranno essere lavati e ripassati con poca acqua deionizzata, il vetro d’orologio asciugato e la bottiglia riempita per metà con acqua deionizzata.

A questo punto si può andare a pesare l’NaOH: essendo la MM dell’NaOH 40.00 g/mol, si calcola la massa di 0.10 mol:

40.00 g/mol x 0.10 mol = 4.00 g

Mentre si effettua la pesata si verifica la seguente reazione:

2NaOH + CO₂ → Na₂CO₃ + H₂O

quindi le gocce di idrossido di sodio vengono ricoperte da uno strato di carbonato di sodio.

Occorre togliere questa sostanza prima di introdurre le gocce nella bottiglia, e questo viene effettuato tramite più lavaggi con acqua deionizzata dentro il vetro d’orologio eliminando, tra un lavaggio e l’altro le acque.

Con questa operazione una parte non ben definita di sostanza viene persa, per cui occorrerà pesarne un eccesso rispetto a quei 4.00g calcolati precedentemente. Stabiliamo questo eccesso in circa il 50%.

La quantità da pesare sarà quindi approssimativamente 6.00g, considerando che l’operazione deve essere effettuata velocemente, così come rapidamente deve essere effettuato il lavaggio già descritto.

A questo punto si porta a volume con acqua deionizzata e la nostra soluzione a titolo approssimativo è pronta.

Fase 2: Preparazione di una soluzione acquosa di HCl esattamente 0.10 M.

L’HCl è una sostanza aeriforme in condizioni STP, per cui di difficoltosa pesata diretta. Anch’esso deve quindi essere preparato in condizioni approssimative e poi titolato con sostanza basica.

La sostanza basica di partenza è il carbonato di sodio, il quale ha le caratteristiche giuste per essere asciugato in stufa senza subire alcuna modificazione. Nella nostra esercitazione saltiamo questa fase per problemi di tempo, e quindi prepariamo il nostro acido per diluizione 1:10 da una soluzione acquosa esattamente 1 M.

Si lava con acqua di rubinetto e con acqua deionizzata un pallone tarato da 100 mL e il suo tappo.

Si prelevano esattamente 10 mL di HCl 1 M da una buretta a caricamento (e azzeramento) automatico.

Si diluisce con acqua deionizzata, portando a volume facendo attenzione a non superare la linea di taratura del pallone.

Fase 3: titolazione della soluzione di NaOH con quella di HCl.

Si prepara la buretta per accogliere il titolante, lavandola abbondantemente con acqua di rubinetto e poi ripassandola tre volte con poca acqua deionizzata che deve scorrere su tutte le pareti interne e fuoriuscire un po’ dal sopra e un po’ dal sotto. Si riempie la buretta con il titolante dopo averla avvinata con la soluzione da introdurre per tre volte seguendo la procedura già vista per il lavaggio con acqua deionizzata. Dopo il riempimento si piega la buretta aprendo leggermente il rubinetto per riempire il beccuccio di uscita senza che rimanga alcuna bolla d’aria. A questo punto si azzera la buretta tenendo conto che grazie alla riga blu posta sul dietro si viene a formare una specie di linea incrociata sul punto di lettura. Occorre evitare durante la lettura l’errore di parallasse, e ricordarsi che la direzione di lettura è dall’alto verso il basso.

A questo punto si lava un piccolo recipiente di vetro senza ovviamente avvinarlo e si pone sotto la buretta.

Si lava e avvina una pipetta tarata da 10 mL con la soluzione di NaOH da titolare, si preleva facendo attenzione alla coincidenza del menisco inferiore del liquido con la linea di taratura, e si svuota completamente nel recipiente da titolazione.

A questo punto si procede con la prima titolazione dopo aver aggiunto due o tre gocce di metilarancio, aggiungendo l’HCl dalla buretta fino a viraggio da colore giallo a giallo-rosa.

Questa operazione viene ripetuta più volte, cercando di ottenere almeno tre risultati omogenei (cioè con piccole oscillazioni dell’ordine de pochi decimi di millilitro). Alla fine si fa la media tra i risultati omogenei, e questo valore viene utilizzato per i calcoli già visti prima per determinare la molarità esatta della soluzione acquosa di NaOH, che andrà conservata per successive titolazioni.

Fonte: http://www.itipedia.org/images/d/d7/Analisi_quantitativa.doc

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