Obiettivi Formativi

Lo studente apprenderà il concetto teorico di speciazione chimica e studierà gli equilibri in soluzioni multicomponenti quali i fluidi naturali. Sarà in grado di eseguire sperimentalmente uno studio di speciazione mediante tecniche strumentali quali potenziometria, spettrofotometria e voltammetria e ne utilizzerà i relativi programmi di calcolo. Inoltre linsegnamento promuove nello studente la conoscenza della teoria e dei principi dei metodi termici di analisi; dei metodi cromatografici di esclusione, di affinità e con fluido supercritico, dellelettroforesi; della spettroscopia Raman; della spettrometria di massa elettrospray, MALDI-TOF, tandem (MS-MS) e delle principali applicazioni in campo analitico. Le esercitazioni di laboratorio e/o simulazioni favoriranno la comprensione dei metodi termici di analisi o della spettroscopia Raman.

Learning Goals

The student will learn the theoretical concept of chemical speciation and will study the equilibria in multicomponent solutions, such as natural fluids. It will also be able to perform an experimental speciation study using instrumental techniques such as potentiometry, voltammetry and spectrophotometry and the related computer programs. Moreover, the course promotes the student's knowledge of the theory and principles of methods of thermal analysis; of chromatographic methods of exclusion, affinity and supercritical fluid, of electrophoresis; of Raman spectroscopy; electrospray mass spectrometry, MALDI-TOF, tandem mass spectrometry and main applications in the analytical field. The laboratory experiments will promote understanding of the methods of thermal analysis or of Raman spectroscopy.

Metodi didattici

Lezioni frontali in aula; esercitazioni di laboratorio con utilizzazione di strumentazione utile agli studi di speciazione nei fluidi naturali; esercitazioni di laboratorio con l'impiego di tecniche di analisi termica su solido ed in soluzione o della spettroscopia Raman. Lezioni frontali in aula; esercitazioni di laboratorio con l'impiego di tecniche di analisi termica su solido ed in soluzione o della spettroscopia Raman.

Teaching Methods

Lessons in the classroom; laboratory experiments with instrumentation useful to the speciation studies; laboratory experiments with the use of thermal analysis techniques on solids and in solution or of Raman spectroscopy.

Prerequisiti

Conoscenze di base di chimica analitica, in particolare equilibri in soluzione acquosa e tecniche strumentali quali potenziometria, spettrofotometria e voltammetria. Conoscenze di base di chimica analitica strumentale, in particolare dei principi della cromatografia liquida, della gas-cromatografia e della spettrometria di massa.

Prerequisites

Basic knowledge of analytical chemistry, in particular equilibria in aqueous solution and instrumental analytical techniques such as potentiometry, spectrophotometry, and voltammetry. Basic knowledge of instrumental analytical chemistry, especially principles of liquid chromatography, gas-chromatography and mass spectrometry.

Verifiche dell'apprendimento

I 12 CFU del corso verranno acquisiti dallo studente con il superamento di un unico esame relativo a Complementi di Chimica Analitica Strumentale e Chimica Analitica Superiore. La verifica dell'apprendimento prevede una prova orale e la valutazione delle relazioni sulle singole prove di laboratorio.

Assessment

The 12 CFU of the course will be acquired after passing one single examination regarding Superior Analytical Chemistry and Complements of Instrumental Analytical Chemistry. The evaluation of the learning includes an oral examination and the analysis of the reports of the laboratory tests.

Programma del Corso

Il Corso è suddiviso in due moduli: Chimica Analitica Superiore e Complementi di Chimica Analitica Strumentale. Chimica Analitica Superiore. Speciazione di sistemi naturali: Definizione, applicazioni, metodologie di studio applicate ai sistemi acquatici reali (3 ore) Acque naturali: Composizione, classificazioni, componenti conservativi e non conservativi, tempo di residenza, salinità, proprietà chimico fisiche (2 ore) Equilibri acido-base nelle acque naturali: pH delle acque naturali, sistemi tampone, capacità tampone, acidità ed alcalinità, il sistema carbonato (2 ore) Termodinamica di sistemi multicomponenti: Interazioni fra i vari componenti: reazioni di idrolisi, formazione di coppie ioniche, formazione di complessi, formazione di specie poco solubili (4 ore) Interazioni tra fasi: Equilibri di scambio ionico, equilibri di adsorbimento, capacità di adsorbimento, isoterma di Langmuir, isoterma di Freundlich (4 ore) Diagrammi di distribuzione: Distribuzione delle specie in funzione del pH, costruzione dei diagrammi di distribuzione, utilizzo dei relativi software (2 ore) Modelli per la dipendenza dei parametri termodinamici dalla forza ionica e dalla temperatura: Soluzioni ideali e reali, attività e coefficienti di attività, coefficiente di attività medio, coefficiente di attività di non elettroliti, modelli per il calcolo dei coefficienti di attività, modelli per la dipendenza dalla temperatura (2 ore) Tecniche strumentali per gli studi di speciazione: utilizzo di potenziometria, spettrofotometria UV-vis, NMR e voltammetria e dei relativi programmi di calcolo per gli studi di speciazione (5 ore) Esercitazioni di Laboratorio: - determinazioni delle costanti di idrolisi di un metallo mediante utilizzo della potenziometria e dei relativi programmi di calcolo (8 ore); - determinazione dei parametri termodinamici di interazione metallo-legante mediante spettrofotometria UV-vis e utilizzo dei relativi programmi di calcolo (8 ore) - determinazione dei parametri termodinamici di interazione metallo-legante mediante voltammetria (8 ore). Complementi di Chimica Analitica Strumentale. - Metodi termici di analisi (4 ore). Metodi termogravimetrici, analisi termica differenziale, calorimetria differenziale a scansione; calorimetria di titolazione: principi ed applicazioni. - Metodi cromatografici (8 ore). Cromatografia ad esclusione dimensionale, cromatografia di affinità, cromatografia con fluido supercritico ed estrazione con fluido supercritico: principi ed applicazioni. - Metodi elettroforetici (6 ore). Principi dellelettroforesi. Elettroforesi capillare, elettroforesi capillare di zona, elettroforesi capillare su gel, isotacoforesi capillare, frazionamento in flusso su colonna impaccata: strumentazione ed applicazioni. - Spettroscopia Raman (4 ore). Teoria, strumentazione, sorgenti, applicazioni. - Spettrometria di massa (8 ore). Sorgenti ioniche: ad impatto elettronico (EI), a ionizzazione chimica (CI), a ionizzazione di campo, per desorbimento laser assistita su matrice (MALDI), ionizzazione elettrospray (ESI), a bombardamento con atomi veloci (FAB). Spettrometri di massa. Sistemi di introduzione del campione. Analizzatori di massa. Spettrometria di massa elettrospray (ESI-MS), MALDI-TOF e principali applicazioni analitiche. Spettrometria di massa tandem (MS-MS): strumentazione ed applicazioni analitiche. Analisi di miscele con metodi accoppiati alla spettrometria di massa. Le esercitazioni di laboratorio prevedono limpiego dei metodi termici (termogravimetria, calorimetria di titolazione) o della spettroscopia Raman (12 ore).

Course Syllabus

The course is divided into two modules: Superior Analitycal Chemistry and Complements of Instrumental Analytical Chemistry. Superior Analitycal Chemistry. Speciation of natural systems: Definition, applications, study methodologies applied to real aquatic systems (3 hours) Natural waters: Composition, classifications, conservative and non-conservative components, residence time, salinity, chemical-physical properties (2 hours) cid-base equilibria in natural waters: pH of natural waters, buffer systems, buffer capacity, acidity and alkalinity, the carbonate system (2 hours) Thermodynamics of multicomponent systems: interactions between the various components: hydrolysis reactions, formation of ionic pairs, formation of complexes, formation of less soluble species (4 hours) Interactions between phases: ion exchange equilibria, adsorption equilibria, adsorption capacity, Langmuir isotherm, Freundlich isotherm (4 hours) Distribution diagrams: Distribution of species according to pH, construction of distribution diagrams, use of related software (2 hours) Models for the dependence of the thermodynamic parameters on the ionic strength and temperature: Ideal and real solutions, activities and activity coefficients, the activity coefficient of non-electrolytes, models for the calculation of activity coefficients, models for the dependence on temperature (2 hours) Instrumental techniques for speciation studies: potentiometry, UV-vis spectrometry, NMR and voltammetry and calculation programs for speciation studies (5 hours) Practice: - determination of hydrolysis constants of a metal by potentiometry and related calculation programs (8 hours); - determination of the thermodynamic parameters of metal-ligand interaction by UV-vis spectrophotometry and use of the related calculation programs (8 hours) - determination of the thermodynamic parameters of metal-ligand interaction by voltammetry (8 hours). Complements of Instrumental Analytical Chemistry. - Methods of thermal analysis (4 hours). Thermogravimetric methods, differential thermal analysis, differential scanning calorimetry, titration calorimetry: principles and applications. - Chromatographic methods (8 hours). Size exclusion chromatography, affinity chromatography, supercritical fluid chromatography and supercritical fluid extraction: principles and applications. - Electrophoretic methods (6 hours). Principles of electrophoresis. Capillary electrophoresis, capillary zone electrophoresis, capillary gel electrophoresis, flow fractionation of packed column: instrumentation and applications. - Raman spectroscopy (4 hours). Theory, instrumentation, sources, applications. - Mass Spectrometry (8 hours). Ion sources: electron impact (EI), chemical ionization (CI), field ionization, matrix-assisted laser desorption (MALDI), electrospray ionization (ESI), fast atoms bombardment (FAB). Mass spectrometers. Systems for sample introduction. Mass analyzers. Electrospray mass spectrometry (ESI-MS), MALDI-TOF and main analytical applications. Tandem mass spectrometry (MS-MS): instrumentation and analytical applications. Analysis of mixtures with methods coupled with mass spectrometry. The laboratory experiments include the use of thermal methods (thermogravimetry, titration calorimetry) or Raman spectroscopy (12 hours).