Oltre alle concentrazioni “macroscopiche” esiste una coppia di concentrazioni, ppm e ppb, che hanno la funzione di esprimere la concentrazioni delle tracce. Vediamo come vengono definite e quali sono le solo applicazioni.
IL CONCETTO DI PUREZZA
Per quanto possiamo essere dei bravi chimici e lavorare con accortezza e precisione è impossibile riuscire a sintetizzare un composto puro al 100% senza ulteriori purificazioni (anche con le purificazioni è impossibile il 100% ma ci si avvicina un po’ di più), nell’articolo sulla Legge delle proporzioni multiple nella sezione domanda\risposta è spiegato il perchè.
Ogni composto dunque presenta delle impurezze di qualche tipo e lavorando in maniera egregia si arriva a ridurre le impurità a livelli minuscoli. Non è certo un eccezione trovare composti puri al 99,999%. Ma cosa vuol dire questa dicitura? Se assumiamo che quel valore di 99,999% sia una concentrazione %m\m allora possiamo dire che su 100g di composto 99,999g sono del nostro composto di interesse e la restante parte, lo 0,001g sono impurezze.
Questo appena visto è un ottimo modo per avere un’idea della purezza del campione che stiamo considerando ma non è l’unica definizione che possiamo applicare. Se parliamo di % stiamo mettendo l’attenzione sul composto maggioritario, cioè stiamo ragionando in termini di “quanto è puro il mio campione per poter fare questa sintesi?” Se invece spostiamo l’attenzione sulla parte minoritaria viene scomodo usare cifre del tipo 0,0003% oppure 0,00006%.
Nasce quindi il bisogno di definire un altro tipo di concentrazione che possa rispondere alla domanda “qual è la quantità di impurezze presente nel mio campione?” Rispondendo a questa domanda ci accorgiamo che la quantità di impurezze generalmente è molto bassa e perciò usare le concentrazioni “classiche” non è molto d’aiuto visto che uscirebbero numeri molto piccoli e difficili da gestire, ci sarebbero troppi 0. Bisogna definire un’altra concentrazione più adeguata.
Si arriva quindi al concetto di Parti per Milione (ppm) e Parti per Miliardo (ppb), queste concentrazioni rientrano nella categoria delle concentrazioni “fisiche” insieme alle concentrazioni %. Prima di addentrarci a vedere la parte di calcolo facciamo qualche considerazione.
TRACCE E IMPUREZZE
Quando le impurità in un determinato campione sono piccole allora si dice che il composto X è presente in Tracce. Per questo motivo le ppm e i ppb sono le unità di misura per i composti “in tracce”.
Dire però che le ppm e i ppb si riferiscono solo alle impurità di un campione non è propriamente vero, è certamente giusto dire che si riferiscono alle impurità ma non sarebbe completo. Se prendiamo dell’acqua dal rubinetto di casa e facciamo un’analisi elementare su quest’acqua ci accorgiamo della presenza di numerosi ioni che sono presenti in quantità minuscole. Basta prendere l’etichetta di una qualsiasi bottiglia d’acqua per vedere quali e quanti sono i vari ioni disciolti. La quantità di questi ioni è veramente piccola nelle acque dette “leggere” e non ci sogneremmo mai di dire che quest’acqua è impura. Da un punto di vista delle molecole di acqua i sali disciolti sì, sono delle impurezze ed è giusto definirle così ma nel linguaggio comune non lo si usa. Le impurezze sono generalmente un aggettivo negativo che indica qualcosa di indesiderato, quando invece i composti in tracce sono tollerati non si usa più la parola impurezze.
L’esempio di prima serviva a chiarire il fatto che i ppm e i ppb non sono usati solo per le impurezze ma vengono usati anche per quei composti presenti in tracce che non sono indesiderati.
Una domanda lecita ora sarebbe “ma visto che spesso tendiamo ad approssimare non è possibile farlo anche con i composti in tracce e considerare il composto puro senza stare a sbatterci la testa visto che le “impurezze” sono così piccole?”
Questa domanda è sensata ma bisogna vedere il contesto di utilizzo di un campione per decidere se approssimare o meno. Certi composti sono altamente tossici sia per gli uomini sia per l’ambiente. Berreste mai un acqua che contiene Mercurio e Piombo con concentrazione superiore a quelle concesse? Immagino di no, le concentrazione di questi 2 metalli nelle acque devono essere rigorosamente controllate e i livelli da tenere sotto controllo affinchè non si verifichino danni si aggirano proprio su concentrazioni di pochi ppm o ppb, dipende da elemento a elemento. Stesso discorso vale anche per la concentrazione di pesticidi che devono essere presenti nella frutta, c’è bisogno di avere valori paragonabili a pochi ppm o pochi ppb.
Se invece usiamo per fare una determinata sintesi un campione che contiene qualche ppm di un composto che non partecipa alla reazione e non ci dà nessun problema è lecito dunque non considerarlo e dire che il campione è puro.
è il contesto dunque che ci permette di capire che ne vale la pena tenere conto o meno dei composti in tracce, certe volte è conveniente spendere soldi e tempo per determinarli, come per esempio per evitare problemi di salute e danni all’ambiente, altre volte è solo una perdita di tempo e denaro.
Per quanto riguarda le sigle, entrambe sono state scritte in base alla dicitura inglese:
- ppm = parts per million = parte per milione
- ppb = parts per billion = parte per miliardo
Domanda
Esistono 2 modi per poter determinare i ppm e ppb, quali sono?
I CALCOLI PER PPM E PPB
Arriviamo dunque alla parte applicativa
– ppm
Se prendiamo alla lettera quello che la sigla dice “parti per milione” arriviamo direttamente al succo del discorso. Letteralmente la frase di prima sta a indicare:
quante parti di un dato composto stanno su un milione di parti totali
I ppm si riferiscono sempre al composto minoritario essendo che stiamo parlando di tracce, quindi stiamo valutando il sistema dal punto di vista del soluto.
Per indicare qualsiasi grandezza fisica usiamo sempre un’unità di misura, che per la massa è il Grammo. Affinchè sia rispettata la parte per milione ci deve essere un salto tra i multipli e sottomultipli dell’unità considerata di un milione (106). Generalmente si usa la combinazione mg\kg. Se facciamo i conti ci accorgiamo che per convertire i kg in mg è proprio necessario moltiplicare per 106.
Perchè si usa questa coppia? Data la nostra stazza siamo pratici a lavorare con 1kg di campione, non è nè troppo piccolo nè troppo grande. Per di più generalmente in un campione della massa di un 1kg ci sono abbastanza tracce da poter essere misurate, o con una bilancia (i mg) o con altri strumenti (µg). Quindi convenzionalmente questa è la coppia più usata.
Ciò non toglie però che anche le altre coppie possibili siano valide, sono solo meno pratiche. Anche ng\mg rappresenta una parte per milione ma la strumentazione che ci permetta di misurare i ng ancora non è presente. Negli esercizi potrà capitare ma è solo per allenamento.
Un esempio di applicazione della formula potrebbe essere il seguente:
Da un campione di roccia dalla massa di 3,56 kg sono stati estratti 0,45g di Sodio. Si determini la concentrazione in ppm del Sodio.
Come primo passaggio convertiamo i g in mg:
- 0,45g → 450mg
Ora bisogna trovare quanti mg ci sono in 1kg di campione. Noi sappiamo che ci sono 450mg in 3,56kg di campione, quanti mg ci sono in 1kg allora?
Impostiamo una proporzione:
- 450mg : 3,56kg = X : 1kg
- X = 450mg * 1
kg\ 3,56kg= 126,4ppm
- X = 450mg * 1
L’unità di misura dovrebbe essere mg ma siccome abbiamo ricavato i mg su 1kg che è appunto la definizioni di ppm è lecito sostituire e scrivere così.
Il risultato ci dice che per ogni Kg di roccia che prendo so che avrò 126,4mg di sodio.
– ppb
L’applicazione dei ppb è del tutto analoga a quella vista per i ppm, la differenza sta nella concentrazione che le 2 diciture indicano. I ppb si usano quando il campione è mille (103) volte meno concentrato rispetto ai ppm. Infatti quando parliamo di ppb il salto tra le unità di misura deve essere di un miliardo (109). La combinazione più usata per esprimere i ppb è µg\kg.
Anche i calcoli da eseguire sono del tutto identici all’esercizio visto sopra, bisogna solo stare attenti all’unità di misura.
LE APPLICAZIONI
Esistono anche altre diciture che permettono di lavorare con quantità 1000 volte più piccole delle ppb, si tratta appunto dei ppt. è così poco frequente incontrare delle applicazioni che si servono di tale definizione che non è necessario approfondire.
Quali sono le aree di interesse che si servono delle unità di concentrazione viste prima?
- Le ppm trovano applicazione in quei contesti dove si vuole determinare la purezza di un composto perchè livelli troppo elevati di altre sostanze potrebbero rendere inutilizzabile il composto. In questa categoria rientrano sicuramente i farmaci, la purezza del principio attivo deve essere elevatissima per evitare di introdurre altri composti nel corpo dei consumatori. Abbiamo anche visto che l’analisi delle acque e degli alimenti fanno uso delle ppm. Un’altra applicazione potrebbe essere quella mineraria, certi metalli come Iridio, Osmio e Rodio si trovano nelle rocce in concentrazioni di ppm, anche se la quantità è veramente piccola è comunque economicamente valida la loro estrazione. La lista ovviamente non è esaustiva ma serve solo a dare un’idea.
- Le ppb invece trovano un’applicazione pratica minore e generalmente è correlata con attività di laboratori di ricerca dove sono presenti strumenti che possono determinare concentrazioni minuscole, come per esempio uno spettrometro di massa. Certi inquinanti potrebbero essere pericolosi anche a livello di ppb e quindi la loro concentrazione massima potrebbe venire espressa in tale unità di misura. Anche in questo caso la lista di applicazioni non è esaustiva.
Risposta
Il primo modo è quello di partire da un campione piccolo e usando metodiche e strumenti accurati determinare la concentrazione delle tracce, il secondo consiste dell’utilizzare tonnellate di un dato campione e ricavare una quantità misurabile di tracce nell’ordine dei grammi o kilogrammi.
