67031 - CHIMICA ANALITICA STRUMENTALE CON LABORATORIO

Conoscenze e abilità da conseguire

Il corso ha l’obiettivo di fare acquisire agli allievi la capacità di individuare e comprendere gli elementi che costituiscono il “processo analitico”: 1) definizione dell’obiettivo; 2) campionamento; 3) rimozione delle interferenze/concentrazione; 4) misura 5) valutazione dei risultati. Di fronte ad uno specifico problema analitico, essi dovranno essere capaci di tracciarne la risoluzione definendo compiutamente i cinque passaggi sopra menzionati. In particolare saranno capaci di individuare la o le proprietà caratterizzanti che possono essere utilmente sfruttate per la determinazione analitica strumentale di uno o più analiti, anche presenti simultaneamente, in campioni di moderata complessità, anche reali, e di scegliere il metodo più idoneo all’analisi.

Contenuti

Conoscenza e comprensione

Al termine del corso gli allievi conosceranno:

• i metodi statistici per il trattamento dell’errore, i principali test di significatività, le tecniche per la costruzione di funzioni di calibrazione, la definizione di limite di rivelabilità e di quantificazione;
• i principi degli equilibri di ripartizione e dei processi di separazione;
  
• i principi di funzionamento e gli assetti strumentali delle più comuni strumentazioni analitiche (Potenziometri, Conduttimetri, Cromatografi, Spettrofotometri UV-VIS e di Assorbimento Atomico);
• le parti e la struttura di un rapporto di analisi.

Al termine del corso gli allievi avranno compreso:

• l’azione degli equilibri di ripartizione nei processi di rimozione delle interferenze;
• l’azione degli equilibri di ripartizione nei processi cromatografici;
• l’azione della radiazione elettromagnetica UV-Vis nella produzione di segnali analitici;
• le problematiche connesse all'esecuzione di misure potenziometriche dirette ed indirette (relazione tra potenziale misurato e attività dell'analita, curva di calibrazione, limite di rivelabilità);
• la relazione fra la misura della conducibilità di una soluzione e la determinazione quantitativa di una o più specie ioniche.

Abilità e Competenze

Al termine del corso gli allievi saranno capaci di:

• redigere un rapporto di analisi;
• costruire e utilizzare curve di calibrazione, anche non lineari;
• riconoscere quando è necessario l’uso del metodo delle aggiunte standard per la determinazione quantitativa degli analiti;
• utilizzare e interpretare correttamente le misure ottenute in una determinazione analitica;
• individuare in una procedura analitica gli elementi del “processo analitico”;
• valutare la bontà di un metodo analitico in relazione al suo obiettivo;
• confrontare e valutare criticamente le prestazioni di differenti approcci analitici per l’analisi dello stesso campione;
• progettare determinazioni analitiche in matrici non complesse, individuando le procedure e le strumentazioni più idonee.

Argomenti del corso

Descrizione delle fasi del processo analitico. Principali componenti di uno strumento analitico. Cenni ai problemi di campionamento, prelievo e conservazione dei campioni. Il “rapporto di analisi” e la “relazione di laboratorio”.

Statistica dell'analisi strumentale. Rapporto segnale-rumore. Effetto del campionamento digitale sul responso. Taratura e curve di regressione. Addizione standard. Intervallo di fiducia di una concentrazione ricavata da una retta di taratura e tramite il metodo delle aggiunte. Curve di calibrazione nel caso di deviazioni dalla linearità. Limite di rivelabilità e sensibilità dell'analisi chimica strumentale. Limite di quantificazione. L’errore nel processo analitico.

Equilibrio di partizione fra fasi. Estrazione liquido-liquido. Percento di estrazione. Effetto di equilibri secondari sulla ripartizione e loro utilizzo per l’isolamento di specie. Principali tecniche di estrazione con solvente.

Tecniche elettrochimiche. Conducibilità elettrica di soluzioni di elettroliti. Conducibilità specifica, conducibilità equivalente e conducibilità equivalente a diluizione infinita. Il conduttimetro e il suo impiego. Misure di conducibilità diretta. Titolazioni conduttimetriche (acido-base, di precipitazione, complessometriche). Elettrodi ionoselettivi ed elettrodi di riferimento. Metodi potenziometrici con elettrodi ionoselettivi e elettrodi indicatori metallici. Metodo di Gran per l’individuazione del punto di fine titolazione.

Basi teoriche delle separazioni cromatografiche, estrazione in controcorrente. Meccanismo del processo cromatografico su colonna. Il fenomeno dell’allargamento della banda cromatografica e sue giustificazioni fenomenologiche: teoria dei piatti e teoria cinetica. Tecniche cromatografiche strumentali: Gascromatografia e Cromatografia liquida ad alta efficienza (HPLC). Valutazione dell’efficienza di una colonna cromatografica. Parametri cromatografici principali. Qualità delle separazioni cromatografiche. Analisi qualitativa: tempo di ritenzione relativo e indici di ritenzione. Metodi di analisi quantitativa in cromatografia. Caratterizzazione delle fasi cromatografiche (indici di Rohrschneider-McReynolds).

Spettrometria di assorbimento molecolare nell'UV-Vis: principi, strumentazione, condizioni operative e controllo di qualità delle misurazioni spettrofotometriche. Costruzione della curva di risposta strumentale e legge di Bouguer-Lambert-Beer. Analisi di miscele. Spettrometria di assorbimento atomico in fiamma. Principi, strumentazione, lampade a catodo cavo, legge di Boltzman. Metodi di analisi qualitativa e quantitativa in fiamma.

Il corso prevede una esperienza di laboratorio integrata, basata su problemi tratti da casi reali, la cui progettazione sarà demandata agli allievi. sotto la guida dei docenti.

Si ricorda che per una adeguata preparazione dell’esame è indispensabile anche lo studio sui libri di testo. Per i diversi argomenti trattati verranno quindi indicati specifici capitoli dai testi elencati più oltre (tra i quali l’allievo potrà liberamente scegliere) che costituiranno quindi parte integrante dei contenuti del corso.

 

REQUISITI DI CONOSCENZA E ABILITÀ PER AFFRONTARE IL CORSO

In generale sono richieste le conoscenze e abilità acquisite negli insegnamenti di: Matematica, Fisica, Chimica Generale, Chimica Fisica 1 e Chimica Analitica con Laboratorio.

In particolare gli allievi devono:

• padroneggiare i principi dell'equilibrio chimico e il trattamento grafico e matematico degli equilibri simultanei;
• svolgere calcoli stechiometrici di moderata complessità;
• possedere nozioni elementari di ottica e di algebra elementare;
• essere capaci di trattare semplici funzioni matematiche;
• conoscere la nomenclatura dei più comuni composti chimici;
• avere maturato una discreta abilità nell'utilizzo della vetreria di laboratorio e nell'esecuzione di titolazioni volumetriche.

Testi/Bibliografia

Sono numerosi i testi, molti dei quali disponibili nelle biblioteche universitarie, che si occupano, con elevata competenza e completezza, dei contenuti del corso.

Lo studente può trovare utile consultare quelli riportati nel seguente elenco:

1. D.C. Harris, Chimica Analitica Quantitativa, Zanichelli, (2017)
2. M.Castino, E. Roletto, Statistica applicata. Trattamento dei dati per studenti universitari, ricercatori e tecnici. Piccin, 1999 (ISBN: 9788829909353)
3. J.C. Miller and J.N. Miller, Statistics and Chemometrics for Analytical Chemistry, 6^th ed., Prentice Hall (UK), 2010
4. D.A. Skoog, D.M. West, F.J. Holler, S.R. Crouch, Fondamenti di Chimica Analitica, III Ed., Edises, 2009
5. David Harvey, Modern Analytical Chemistry, McGraw-Hill Education, [https://www.bookdepository.com/publishers/McGraw-Hill-Education-Europe] 1999

Il testo di Harvey (5) è reso disponibile dall’autore in open access a questo link (controllato il 20 febbraio 2023): http://dpuadweb.depauw.edu/harvey_web/eTextProject/AC2.1Files/AnalChem2.1.pdf

Metodi didattici

Le lezioni frontali saranno accompagnate da una estesa attività di progettazione sperimentale e esercitazionale, organizzata per piccoli gruppi di lavoro e guidata dai docenti, basata sulla risoluzione di semplici casi studio che affronteranno le tematiche dell'insegnamento anche attraverso la messa a punto di semplici metodi analitici.In sostituzione delle tradizionali “esperienze” di laboratorio, di solito eseguite in sequenza di argomenti e basate su una "ricetta" più o meno dettagliata, agli studenti, suddivisi in gruppi eterogenei di 4-5 allievi, viene assegnato un problema autentico, selezionato casualmente in una rosa di sei. Tali problemi offrono la possibilità ad allievi e allieve di definire in maniera autonoma il problema analitico che intendono affrontare e risolvere, attraverso la definizione di una propria procedura analitica che sarà poi applicata e sperimentata in laboratorio con la condizione che la risoluzione del problema assegnato preveda l'impiego di almeno due (se possibile tre) diverse tecniche strumentali.

DIDATTICA DIGITALE INTEGRATIVA. La realizzazione dell’approccio sopra descritto richiede un intenso lavoro preparatorio da fare prima dell’ingresso in laboratorio con ciascun gruppo di lavoro. A ciascun gruppo, assieme al “problema”, vengono forniti materiali di base (articoli di letteratura, capitoli di libri, metodiche ufficiali) e una agenda di lavoro (sotto forma di Gannt). Viene inoltre assegnato a ciascun gruppo un docente di riferimento. Ogni gruppo di lavoro ha una propria stanza (canale) su Teams, nella quale sono depositati tutti i file di consultazione, i documenti di lavoro prodotti in condivisione, i materiali trovati dagli studenti ecc... Ad inizio attività si programmano gli incontri per la predisposizione della/e procedure che poi saranno verificate nell’attività di laboratorio. Tali incontri saranno prevalentemente condotti sull apiattaforma Teams.

Tutto il materiale didattico (diapositive, schede e materiale di approfondimento, esercizi) è condiviso sulla piattaforma "Virtuale" di Ateneo.

SICUREZZA NEGLI AMBIENTI DI STUDIO E LAVORO

In considerazione delle tipologie di attività e metodi didattici adottati, la frequenza di questa attività formativa richiede lo svolgimento da parte di tutti gli studenti dei Moduli 1 e 2 in modalità e-learning e la partecipazione al Modulo 3 di formazione specifica sulla sicurezza e salute nei luoghi di studio. Indicazioni su date e modalità di frequenza del Modulo 3 sono consultabili nella apposita sezione del sito web di corso di studio.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

La verifica dell'apprendimento avviene attraverso la valutazione: della attività di laboratorio e di un esame scritto finale.

Valutazione attività di laboratorio

L’attività di laboratorio prevede la risoluzione di un problema analitico che viene proposto ai singoli gruppi di lavoro nelle prime settimane dell’insegnamento. Tale attività si articola in una fase progettuale durante la quale i gruppi (assistiti dai docenti di riferimento degli specifici problemi) dovranno iniziare a delineare una o più possibili strategie di risoluzione del problema posto, definendo una traccia di procedura analitica completa: tipo e numero di prove che si intendono svolgere, materiali e strumenti necessari, tipo e concentrazione delle soluzioni da predisporre, suddivisione dei compiti ecc…

• A conclusione di questa fase progettuale si attende dal gruppo di lavoro la consegna di un report nel quale siano sinteticamente riportate le informazioni utili a capire la strategia scelta dal gruppo di lavoro e la suddivisione dei compiti fra i membri.

Le attività pratiche di laboratorio saranno svolte da ciascun gruppo in modo intensivo nell’arco di una settimana (indicativamente si useranno le settimane di maggio). Ogni gruppo avrà una settimana completa e continuativa di lavoro.

• Al termine dell’esperienza dovrà essere redatta una relazione conclusiva di gruppo seguendo le indicazioni riportate su Virtuale

In particolare, in tale relazione si dovranno esplicitare i punti salienti del lavoro svolto, i dati ottenuti e il risultato(i) finale(i) corredato(i) da una adeguata analisi statistica. Si dovrà anche mettere in evidenza quali difficoltà e aspetti problematici si sono incontrati dal punto di vista disciplinare, tecnico e relazionale.

Colloqui individuali. Durante l’ultima settimana dell’insegnamento, verranno svolti colloqui individuali relativi alla attività di laboratorio. I colloqui saranno svolti in presenza del gruppo di lavoro ma le domande saranno poste ai singoli componenti del gruppo stesso. Gli argomenti in discussione saranno strettamente legati alla attività svolta prendendo in considerazione sia il lavoro fatto in fase progettuale (ad esempio conoscenza dei materiali di studio, motivi di alcune scelte di analisi ecc.) sia il lavoro e i risultati ottenuti in laboratorio.

La valutazione finale di laboratorio terrà conto sia della valutazione data alla relazione di gruppo (peso del 30%) sia della valutazione del colloquio individuale (peso del 70%).

Si rammenta che l’attività di laboratorio (certificata da relazione finale e colloquio individuale) è obbligatoria perché si configura come parte integrante dell’esame e non è ripetibile.

La prova scritta di esame è costituita da una prima parte di domande vero/falso e a risposta multipla e da una seconda parte costituita da quesiti a risposta aperta.

I quesiti prevedono la risoluzione di problemi e esercizi inerenti le conoscenze acquisite e le abilità maturate sui contenuti teorici, pratici e applicativi del corso. La prova può contenere anche quesiti che vertono su conoscenze pregresse e non trattate esplicitamente nel corso ma indispensabili per la comprensione dei contenuti del corso.

La prima parte della prova si considera superata se viene raggiunto un punteggio pari o superiore al 40% del massimo punteggio ottenibile. Il superamento della prima parte è necessario per accedere alla seconda parte della prova (quesiti a risposta aperta).

Durante la prova scritta non è ammesso l'uso di libri di testo o degli appunti (o slide) di lezione. È obbligatorio presentarsi muniti di una calcolatrice (non è ammessa quella disponibile su dispositivi tipo tablet o cellulari) e del necessario per tracciare, qualora richiesto, diagrammi su carta millimetrata (matite, righello, squadra, gomma, temperamatite). Il materiale sul quale redigere le prove (fogli protocollo, carta millimetrata, ecc.) sarà reso disponibile dai docenti.

La valutazione della prova scritta è espressa in trentesimi e concorre alla valutazione complessiva per il 60% del totale

La media pesata del voto complessivo di laboratorio (peso 40%) e del voto ottenuto allo scritto (peso 60%) determina il voto finale.

Esempio: Voto relazione 30, voto colloquio 26, voto scritto 20.

Voto complessivo laboratorio: (30x0.3 + 26x0.7) = 27.2

Voto finale: 27.2x0.40 + 20x0.60 = 10.9 + 12.0 = 23

La prova di esame, se superata, mantiene la sua validità, a discrezione dello studente o della studentessa, per le sessioni previste per l'anno accademico in cui si è svolto il corso. Perde comunque di validità all’atto della consegna per la correzione al docente dell’elaborato svolto durante un appello successivo. È possibile rifiutare un massimo di due valutazioni positive. È possibile sostenere una seconda prova solo se sono intercorsi almeno 15 giorni dalla precedente, salvo deroga dei docenti. Non è ammesso sostenere più di due prove per ogni appello (qualora ne siano previste un numero superiore).

 

Strumenti a supporto della didattica

Tutto il materiale didattico (diapositive, schede e materiale di approfondimento, esercizi) sarà condiviso sulla piattaforma "Virtuale".

Parte delle attività di pianificazione delle attività di progettazione delle esperienze verrà condotta sulla piattaforma Teams

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Sergio Zappoli

Consulta il sito web di Andreas Stephan Lesch

Consulta il sito web di Erika Scavetta