1.

Introduzione

Analisi chimica In chimica, insieme di tecniche e procedure utilizzate per analisi qualitative e quantitative di un campione di sostanza. Un’analisi qualitativa mira a individuare la natura delle sostanze presenti nel campione. Un’analisi quantitativa, invece, ha lo scopo di determinare la quantità oppure la concentrazione di una specifica sostanza nel campione. Quindi, ad esempio, stabilire se un campione di un sale contiene o meno lo iodio implica un’analisi qualitativa, mentre la determinazione della percentuale di iodio nel sale implica un’analisi quantitativa.

La determinazione della composizione chimica è estremamente importante sia per scopi commerciali, per adeguarsi alle norme governative, sia per studi di carattere scientifico. Come conseguenza di ciò, sono state messe a punto numerose tecniche di analisi chimica, altamente specifiche e sofisticate.

2.

Separazione, purificazione e preparazione del campione per l’analisi

La determinazione qualitativa o quantitativa di un componente di una sostanza inizia con la scelta del campione; esso deve essere in quantità sufficiente per portare a compimento l’analisi e il più possibile omogeneo. Inoltre, è necessario isolare il componente in esame ed eliminare le sostanze che nel caso specifico non interessano e che potrebbero interferire con il procedimento di analisi. La scelta del metodo di separazione più appropriato dipende dalla natura del componente in esame e del campione nella sua globalità, dal momento che i processi di separazione sfruttano le differenze nelle proprietà fisiche e chimiche dei vari elementi. Ad esempio, analizzando una miscela di sale e sabbia, è semplice separare il sale, che è solubile in acqua, mentre per studiare una miscela di sabbia e limatura di ferro è necessario sfruttare le proprietà magnetiche del ferro.

Il metodo di separazione più generale è la cromatografia. Esistono diverse varianti di questo metodo, e la scelta del tipo di procedimento da adottare deve essere condotta in base alla natura del materiale che viene immesso in colonna e al tipo di interazioni che si instaurano fra il campione e i componenti della colonna cromatografica. Molto importanti sono la cromatografia a permeazione di gel, in cui le macromolecole vengono separate in base alla loro dimensione, e la cromatografia a scambio ionico, usata per separare composti ionici di diverso tipo. La gascromatografia, invece, permette di separare i componenti volatili presenti nel campione, mentre per mezzo della cromatografia liquido/liquido è possibile separare piccole molecole neutre presenti in una soluzione.

Lo scopo finale di un processo di separazione consiste nell’ottenere un campione del componente in esame, totalmente o parzialmente puro, che possa essere utilizzato per l’analisi. Il processo di separazione è inutile qualora il metodo di analisi sia altamente specifico o selettivo e agisca solo sul componente in esame e su nessun altro elemento o composto presente nel campione. Ad esempio, le misure di pH (cioè della concentrazione di ioni idrogeno) del sangue, mediante elettrodi di vetro, non richiede alcun processo preliminare di separazione.

Una fase estremamente importante delle analisi, siano esse qualitative o quantitative, è la taratura; infatti è necessario tarare, cioè calibrare, la risposta del metodo analitico e la sensibilità dello strumento, prima di dare inizio all’analisi: a questo scopo in genere si usa il componente in esame allo stato puro, oppure un campione che ne contenga una quantità nota.

3.

Presentazione dei risultati

Il risultato numerico di un’analisi quantitativa può essere presentato in termini di quantità assoluta di un componente presente nel campione, oppure facendo ricorso a dati percentuali. In quest’ultimo caso, è possibile fare riferimento alla percentuale in peso, alla concentrazione (cioè al numero di moli del costituente in esame contenute in un litro di soluzione), oppure specificare il numero di parti per milione (ppm). L’accuratezza dei risultati indica quanto i valori calcolati sono prossimi ai valori effettivi dei parametri studiati. La precisione, invece, si riferisce alla riproducibilità dei risultati. I risultati di un’analisi sono precisi se si trovano tutti all’interno di un ristretto intervallo di valori: in questo caso si parla di elevata riproducibilità.

La precisione, comunque, non implica necessariamente l’accuratezza, poiché una fase particolare del processo di misura potrebbe modificare i risultati, portandoli verso valori uniformemente più alti o più bassi rispetto a quelli effettivi. In genere, durante la taratura è possibile individuare le fonti di errori sistematici che potrebbero determinare una tale circostanza.

Gli effetti degli errori casuali, invece, tendono ad annullarsi a vicenda. L’accuratezza viene quasi sempre migliorata calcolando la media dei risultati di più misurazioni. Secondo il metodo utilizzato, può essere necessario ripetere la misura anche tre o quattro volte. Nel caso in cui si utilizzi una procedura automatizzata da un computer, si ha il grosso vantaggio di poter ripetere in pochi minuti un gran numero di misure; in questo caso si parla di mediazione del segnale.

Molto spesso l’analisi di un campione si basa sulla possibilità che il costituente in esame partecipi a una reazione chimica attraverso la quale ne vengano modificate proprietà evidenti, quali il colore o la solubilità. L’analisi gravimetrica, che ricorre alla misura della massa di composti precipitati dalla soluzione, e le titolazioni, che si basano sulla misura del volume della soluzione che reagisce con il costituente in esame, noti come “metodi classici”, sono più complessi e meno versatili dei metodi moderni.

I metodi di analisi strumentale e quelli che prevedono l’impiego di strumenti elettronici hanno acquistato importanza negli anni Cinquanta e sono attualmente i più usati.

4.

Analisi qualitativa inorganica

Un metodo sistematico di analisi qualitativa prevede la separazione degli ioni in gruppi, per mezzo di precipitazioni selettive; nell’ambito di un particolare gruppo, i singoli ioni vengono separati grazie a successivi e sempre più specifici processi di precipitazione; in seguito, per avere conferma della natura dello ione precipitato, si sfruttano alcuni test particolari che possono far precipitare un solo composto oppure possono determinare variazioni di colore. Esistono numerosi schemi operativi, riferiti separatamente a cationi, cioè a ioni di carica positiva, e ad anioni, cioè ioni di carica negativa.

5.

Analisi qualitativa organica

L’analisi di campioni organici si basa sull’uso di reazioni chimiche in grado di evidenziare la presenza di particolari gruppi funzionali, come il gruppo caratteristico di un alcol, di una ammina, di una aldeide, di un alchene, di un estere, di un acido carbossilico e di un etere. In genere, non è necessario iniziare il processo di analisi con reazioni di separazione. Ad esempio, gli alcheni (che contengono doppi legami fra atomi di carbonio) possono essere identificati grazie alla loro capacità di decolorare soluzioni di bromo. Per le analisi organiche, così come per quelle inorganiche, si preferisce utilizzare metodi strumentali che hanno sensibilità e specificità molto elevate. Vedi anche Chimica organica.

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Metodi di analisi quantitativa

Si tratta in prevalenza di metodi gravimetrici e di titolazioni, usati perlopiù per composti inorganici. Un esempio classico di analisi gravimetrica è la determinazione della concentrazione di ione cloruro in una soluzione, mediante precipitazione del sale insolubile cloruro di argento (AgCl). Il precipitato viene separato e pesato, e l’intero processo permette in genere di ottenere risultati molto accurati.

Le titolazioni si basano spesso su reazioni acido-base, come si verifica ad esempio nel caso della titolazione dell’acido acetico (o acido etanoico) con una soluzione di idrossido di sodio (vedi Acidi e basi). In alternativa si usano agenti complessanti, come l’acido etilendiamminotetracetico (EDTA), in soluzioni contenenti ioni metallici, quali ad esempio piombo o mercurio. Le reazioni utilizzabili in un processo di titolazione devono essere molto rapide e non provocare reazioni collaterali che possano mascherare i risultati finali; questi requisiti sono spesso soddisfatti per reazioni inorganiche.

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Tecniche spettroscopiche

La spettroscopia, cioè lo studio delle interazioni fra radiazioni elettromagnetiche e materia, è uno dei metodi più accurati e più utilizzati per ricerche di chimica. Lo spettro delle radiazioni elettromagnetiche può essere diviso in diverse regioni, o bande: raggi X, ultravioletto, visibile, infrarosso, microonde e radioonde. Le interazioni fra radiazioni elettromagnetiche e materia riguardano i fenomeni di assorbimento o di emissione di energia elettromagnetica, in termini di transizioni fra i livelli energetici quantizzati (cioè discreti) di elettroni, di vibrazioni di legami, di rotazioni molecolari e di transizioni di spin nucleari o elettronici in atomi e molecole (vedi Atomo; Meccanica quantistica). Queste interazioni vengono provocate in maniera controllata utilizzando strumenti opportuni, come spettrometri, spettrofotometri e spettroscopi. Gli spettri che si ottengono vengono registrati graficamente o fotograficamente, in modo da produrre i cosiddetti spettrogrammi o spettrofotografie che permettono lo studio delle lunghezze d’onda e delle intensità delle radiazioni assorbite o emesse dal campione in esame.

La spettroscopia di assorbimento delle radiazioni appartenenti alla zona del visibile e dell’ultravioletto costituisce un metodo di analisi quantitativa molto diffuso, sia nella chimica organica sia in quella inorganica. Il componente in esame, contenuto in una soluzione, partecipa a una reazione chimica che determina una variazione del colore della soluzione; la trasparenza relativa della soluzione viene misurata prima e dopo la reazione: la diminuzione di trasparenza è proporzionale alla variazione di colore, che a sua volta dipende dalla concentrazione in soluzione del componente in esame.

La spettroscopia di assorbimento nell’infrarosso è molto utile nello studio di sostanze organiche, poiché i legami chimici di alcheni, esteri e alcol, e di altri gruppi funzionali hanno intensità molto differenti fra loro, e quindi assorbono radiazioni infrarosse di frequenze (cioè di energie) molto diverse. I picchi dello spettro rappresentano i diversi assorbimenti.

La spettroscopia di risonanza magnetica nucleare, o NMR, molto utile per determinare la struttura di molecole organiche, sfrutta le transizioni fra livelli energetici di spin nucleare, indotte dall’assorbimento di radioonde. Negli spettri NMR, ad esempio, gli atomi di idrogeno legati ad atomi diversi assorbono radioonde di frequenza differente; ad esempio, i gruppi organici -CH₃ e -CH₂Cl producono picchi molto separati.

Nella spettroscopia di fluorescenza, invece, le molecole vengono trattate in modo da provocare l’emissione di radiazione elettromagnetica. Le radiazioni emesse hanno una frequenza caratteristica che dipende dalla struttura delle molecole, mentre la loro intensità risulta proporzionale alla concentrazione delle molecole nel campione. Questa tecnica permette di eseguire analisi quantitative estremamente precise.

Nella spettroscopia di emissione e assorbimento atomico, il campione viene portato a temperature molto elevate e si decompone in atomi e ioni che assorbono o emettono radiazioni elettromagnetiche, nella zona del visibile o dell’ultravioletto, di energia strettamente dipendente dall’elemento coinvolto. Ad esempio, l’ingiallimento della fiamma in seguito all’aggiunta di sale comune al campione è dovuto al fatto che il sodio contenuto nel sale emette radiazioni elettromagnetiche nella regione della luce visibile di colore giallo. Questi metodi risultano molto utili per individuare piccole quantità di metalli, sia in analisi qualitative sia quantitative.

Nella spettroscopia di massa, il campione di un composto organico viene posto sotto vuoto e vaporizzato, quindi gli viene ceduta una quantità di energia sufficiente per indurre la frammentazione delle molecole. I frammenti molecolari così ottenuti vengono separati in base al loro peso per mezzo di campi magnetici ed elettrici. Lo spettro di massa che si ottiene è una sorta di “impronta digitale” della molecola, in quanto ogni molecola genera frammenti molecolari specifici.

La spettroscopia di fluorescenza a raggi X viene utilizzata nelle analisi qualitative e quantitative di elementi metallici che emettono raggi X di determinata energia.

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Tecniche radiochimiche

Si basano sul rilevamento della radioattività e sullo studio di radiazioni alfa, beta e gamma, emesse a seguito di processi di disintegrazione nucleare. Nel caso in cui si operi con atomi o nuclei stabili, i decadimenti radioattivi possono essere indotti tramite bombardamento con neutroni. Questi metodi, detti di attivazione neutronica, vengono utilizzati a livello industriale per individuare la presenza di metalli nei campioni e presentano il vantaggio di essere rapidi, altamente automatizzati e non distruttivi.

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Tecniche elettrochimiche

Se si introducono in una soluzione due elettrodi a potenziale elettrico diverso, gli ioni di carica positiva (cationi) migrano verso l’elettrodo negativo (catodo), mentre gli ioni negativi (anioni) si spostano verso l’elettrodo positivo (anodo); come conseguenza di ciò, tra gli elettrodi fluisce corrente elettrica che può essere misurata con opportuni strumenti. L’intensità della corrente dipende dal potenziale elettrico applicato agli elettrodi e dalla concentrazione degli ioni in soluzione. Quindi, questo metodo strumentale quantitativo (la conduttometria) può essere utilizzato per determinare la concentrazione di ioni in soluzione.

In un metodo piuttosto simile vengono impiegati elettrodi particolari, che agiscono solo su ioni specifici: in questo modo è possibile ad esempio calcolare la concentrazione di ioni calcio o sodio, oppure il pH della soluzione. Elettrodi selettivi di questo tipo sono importanti in alcuni processi di analisi clinica.