Articolo di Massimo Guelfi
L’analisi elementare ha avuto un ruolo centrale nello sviluppo della chimica quantitativa, permettendo di determinare la composizione delle sostanze e di definirne le formule chimiche. Questo articolo ripercorre le principali tappe storiche dell’evoluzione delle tecniche per la determinazione di carbonio, idrogeno e azoto, a partire dagli esperimenti pionieristici di Antoine Lavoisier fino agli strumenti sviluppati da Liebig, Pregl e Dumas. Vengono descritti i principi di funzionamento delle prime apparecchiature basate sulla combustione controllata e sull’assorbimento gravimetrico o volumetrico dei prodotti di reazione, evidenziando le difficoltà operative e le innovazioni introdotte nel corso dell’Ottocento e dei primi decenni del Novecento. L’articolo mostra inoltre come molte delle soluzioni concettuali sviluppate nei primi analizzatori elementari siano ancora riconoscibili negli attuali strumenti CHNS utilizzati nei laboratori di ricerca e nei settori applicativi più diversi.
Introduzione
Una delle prime difficoltà che lo studente del primo anno di chimica si trova ad affrontare è prendere dimestichezza, suo malgrado, con l’analisi elementare. Subito dopo aver familiarizzato con il concetto di mole, e ben prima di cimentarsi con gli equilibri chimici, lo studente si confronta con esercizi nei quali viene richiesta la determinazione della formula minima a partire dalle percentuali in peso degli elementi che costituiscono una determinata sostanza. Si tratta di esercizi che, nella maggior parte dei casi, non presentano particolari difficoltà, anche quando si cerca di renderli artificialmente più complessi attraverso una formulazione volutamente criptica. Chi, come me, ha iniziato a studiare chimica nel secolo scorso potrebbe ricordare problemi del tipo: “calcolare la formula dell’ankerite di Lettowitz note le percentuali dei carbonati di calcio, magnesio e ferro(II)” [1]. Tuttavia, per quanto il testo possa assumere toni più o meno elaborati, le informazioni relative alle metodologie analitiche che consentono di ottenere tali percentuali restano spesso piuttosto scarne, sia nei manuali di stechiometria sia nei testi di chimica strumentale o nei corsi specificamente dedicati. Non è raro, quindi, che uno studente arrivi al termine del proprio percorso di studi sapendo poco o nulla di questa tecnica. Scopo del presente articolo divulgativo è approfondire alcuni aspetti dell’analisi elementare, ripercorrendone l’evoluzione storica dalle origini fino agli strumenti oggi comunemente utilizzati. Questa prima parte sarà dedicata alle origini storiche delle tecniche di analisi per combustione, mentre l’evoluzione dei moderni analizzatori elementari CHNS sarà oggetto di un articolo successivo.
L’approccio del ricercatore moderno all’analisi elementare è oggi riconducibile essenzialmente a due esigenze, che meritano di essere considerate separatamente. La prima consiste nella necessità di corredare la parte sperimentale di un lavoro scientifico con informazioni sul grado di purezza dei composti sintetizzati. Tecniche come SCXRD, NMR e MS forniscono generalmente dati sufficienti e inequivocabili sulla natura chimica di una sostanza, ma non sempre consentono di valutarne accuratamente la purezza. Quest’ultima può invece risultare cruciale nel caso di molecole la cui attività biologica o catalitica possa essere alterata anche da minime quantità di contaminanti. Si assiste quindi, anche su impulso di editor e revisori di riviste scientifiche, a una crescente richiesta di analisi elementari, spesso accompagnate dalla necessaria documentazione che ne certifichi l’autenticità [2]. La seconda esigenza rappresenta invece l’ultima risorsa quando le altre tecniche analitiche non risultano applicabili oppure forniscono informazioni non congruenti. In questi casi, l’analisi elementare non costituisce soltanto una tecnica di caratterizzazione finale, ma anche un utile strumento per comprendere e monitorare i processi sintetici in itinere. Oltre ai tradizionali ambiti chimico e farmacologico, nei quali l’analisi elementare trova la sua applicazione più naturale, il progressivo sviluppo e la specializzazione della strumentazione hanno esteso il campo di utilizzo anche al settore agroalimentare (alimenti, piante, suoli) [3], a quello dei materiali (cementi, ceramiche, minerali, polimeri) [4] e al settore energetico (biomasse, combustibili) [5]. Inoltre, l’accoppiamento con la spettrometria di massa isotopica consente oggi applicazioni anche in campo ambientale (rifiuti, inquinamento, geoscienze, idrologia) [6] e forense (contraffazioni, doping) [7].
Analisi di carbonio e idrogeno. Lo strumento di Lavoisier
Tornando però agli albori di questa disciplina, è utile ricordare che la sola determinazione della composizione di una sostanza rappresentava già un traguardo straordinario per l’avanzamento delle conoscenze chimiche. Il primo a confrontarsi con questa sfida fu proprio Antoine Lavoisier (1743-1794) che, nella seconda metà del ‘700, disponendo sostanzialmente della sola bilancia e della sua inventiva, riuscì a introdurre il concetto di combustione come reazione chimica e, grazie a un prototipo di analizzatore elementare, ottenne i dati sperimentali che gli permisero di formulare la rivoluzionaria legge di conservazione della massa [8]. Lo strumento era costituito da diversi componenti: un serbatoio, denominato “gasometro”, spingeva l’aria all’interno della camera di combustione, nella quale veniva introdotta la sostanza da bruciare. I gas prodotti attraversavano quindi una serpentina di raffreddamento, dove il vapore acqueo condensava e veniva raccolto in una capsula. Il gas non condensato passava successivamente attraverso due ampolle, agitate manualmente per favorire l’assorbimento, contenenti soda caustica con lo scopo di trattenere l’anidride carbonica. L’aumento di peso delle due ampolle e della capsula di raccolta, dovuto rispettivamente all’assorbimento di anidride carbonica e acqua, permetteva di risalire al contenuto di carbonio e idrogeno della sostanza analizzata. La misura richiedeva il lavoro coordinato di più persone: una per controllare il flusso proveniente dal gasometro, una per il rifornimento dell’acqua di raffreddamento e una per l’agitazione manuale delle ampolle assorbenti. Oltre a essere estremamente laboriosa, la tecnica necessitava di almeno 50 g di campione affinché la variazione di peso dei recipienti di raccolta risultasse significativa.
Analisi di carbonio e idrogeno. Lo strumento di Liebig
Un ulteriore avanzamento fu apportato da Justus von Liebig (1803-1873) che nel 1830 progettò uno strumento destinato a sostituire quello di Lavoisier (Figura 1a-1b). Oltre a una maggiore praticità d’uso, questa nuova apparecchiatura consentiva di lavorare con quantità di sostanza inferiori al grammo [9-10]. Lo strumento originale è tuttora conservato nel museo a lui dedicato a Giessen. La stanza denominata Analytisches Labor permette ancora oggi, con un po’ di immaginazione, di immergersi nell’atmosfera storica in cui queste misure venivano effettuate [11].
Figura 1. a) Frontespizio dell’opera Anleitung zur Analyse organischer Körper di Justus von Liebig (1837); b) tavola illustrativa originale contenente i principali componenti dell’apparato per l’analisi organica; c) schema dello strumento di Liebig per la determinazione gravimetrica di carbonio e idrogeno mediante combustione e assorbimento dei prodotti gassosi.
In questa tecnica il campione, premiscelato con ossido rameico, veniva introdotto in un tubo di quarzo. Una volta sigillato a un’estremità, il tubo veniva riscaldato ad alta temperatura all’interno di una vaschetta contenente carbone ardente. Il calore provocava la decomposizione dell’ossido rameico che agiva come agente ossidante, fornendo l’ossigeno necessario alla combustione del campione (Figura 1c). L’acqua prodotta veniva trattenuta in un primo tubo contenente cloruro di calcio, mentre l’anidride carbonica attraversava un secondo tubo di vetro a cinque bulbi ripiegato su sé stesso, contenente una soluzione concentrata di idrossido di potassio, nel quale restava intrappolata. La particolare geometria del tubo a cinque bulbi, denominato kaliapparat, permetteva di controllare il gorgogliamento della soluzione, talvolta molto vigoroso nel caso di sostanze azotate. Inoltre, al termine della combustione, il volume dei bulbi limitava la risalita della soluzione causata dal raffreddamento dell’apparato. Anche in questo caso, la pesata dei recipienti assorbenti consentiva di determinare le percentuali di carbonio e idrogeno a partire dall’aumento di peso osservato dopo la combustione dell’analita. Grazie alla sua semplicità, compattezza ed economicità, questa apparecchiatura rimase sostanzialmente invariata per circa un secolo, diventando la tecnica di riferimento per i chimici organici dell’epoca. La sua importanza fu tale da spingere la American Chemical Society a utilizzare una rappresentazione stilizzata del celebre tubo a cinque bulbi nel proprio logo, ancora oggi riconoscibile (Figura 2).
Figura 2. a) Tubo a cinque bulbi di Liebig (kaliapparat) utilizzato per l’assorbimento gravimetrico dell’anidride carbonica nelle analisi di carbonio e idrogeno. b) Logo della American Chemical Society (ACS), nel quale compare una rappresentazione stilizzata del celebre tubo a cinque bulbi.
Analisi di azoto. Lo strumento di Dumas
Anche il metodo sviluppato da Jean-Baptiste-André Dumas nel 1831 per la determinazione dell’azoto rappresenta uno dei pilastri storici dell’analisi elementare organica delle sostanze naturali e sintetiche. L’idea alla base del metodo era semplice: convertire tutto l’azoto contenuto in un composto organico in azoto molecolare (N2) mediante combustione ad alta temperatura in presenza di ossido rameico. I prodotti gassosi indesiderati (CO2 e H2O) venivano rimossi, mentre l’azoto veniva raccolto e misurato volumetricamente. Nella formulazione originale di Dumas, la combustione avveniva in un tubo di vetro attraversato da CO₂ per eliminare l’aria atmosferica e prevenire contaminazioni da azoto esterno. La combustione innescata dalla decomposizione dell’ossido rameico portava alla formazione di ossidi di azoto che successivamente venivano ridotti sui trucioli di rame metallico, in modo da convertire tutte le specie contenenti azoto in N2. Storicamente, questo metodo si inserisce nel grande sviluppo dell’analisi per combustione iniziato con Antoine Lavoisier e proseguito con Joseph Louis Gay-Lussac e Justus von Liebig. Dumas migliorò in modo sostanziale le tecniche precedenti introducendo una gestione più rigorosa dei gas di combustione e una misura diretta dell’azoto molecolare, tanto che in una sua lettera a Gay-Lussac faceva presagire come i suoi studi sarebbero stati una pietra miliare per la chimica organica [12].
Figura 3. Estratto della prima pagina della lettera di Jean-Baptiste-André Dumas a Joseph Louis Gay-Lussac sui procedimenti di analisi organica, pubblicata negli Annales de Chimie et de Physique nei primi anni Trenta dell’Ottocento.
Il metodo di Dumas ebbe enorme importanza nell’Ottocento perché consentì di determinare con buona accuratezza il contenuto di azoto in composti organici complessi, contribuendo allo sviluppo delle formule brute e della chimica organica quantitativa. Tuttavia, richiedeva grande abilità sperimentale: il controllo della combustione, l’assenza di perdite di gas e la purezza della corrente di CO₂ erano tutti aspetti critici. Nella seconda metà del XIX secolo il metodo fu in parte soppiantato dal metodo di Johan Kjeldahl (1883), basato sulla digestione acida, più semplice da eseguire nella pratica di laboratorio. Tuttavia, il metodo di Dumas non scomparve mai completamente e conobbe una forte rinascita nel XX secolo grazie all’automazione strumentale. Negli anni Cinquanta e Sessanta furono sviluppati i primi analizzatori automatici CHN, che trasformarono il principio originale di Dumas in una tecnica moderna di analisi elementare.
Analisi di carbonio e idrogeno. Lo strumento di Pregl
La spinta che portò alla nascita delle prime strumentazioni per la microanalisi, segnando un passaggio fondamentale verso i moderni analizzatori elementari, è racchiusa nelle parole pronunciate da Fritz Pregl durante il discorso per il conferimento del Premio Nobel del 1923 [13].
“I had felt an inner compulsion to carry out the analysis of organic substances with much smaller quantities than had hitherto been used at a time when I was working on an investigation of a substance which could be obtained in extraordinarily small quantities; I was therefore forced to decide whether to process tons of material or whether to search for new methods, which would enable me to arrive at correct analytical results while using much smaller quantities than previously..”
Pregl studiava acidi biliari, testosterone e altre molecole naturali ottenibili soltanto in quantità estremamente ridotte, incompatibili con le tecniche analitiche disponibili all’epoca. Si trovò quindi di fronte a una scelta: processare enormi quantità di materiale biologico oppure sviluppare nuovi metodi in grado di fornire risultati affidabili utilizzando quantità molto minori di sostanza. La semplice miniaturizzazione dell’apparato di Liebig non si rivelò sufficiente, rendendo necessaria una completa riprogettazione dello strumento. Nel metodo sviluppato da Pregl, un flusso di aria o ossigeno veniva preliminarmente purificato dall’anidride carbonica e dall’umidità mediante opportuni assorbenti, per poi attraversare un tubo di quarzo mantenuto ad alta temperatura tramite resistenze elettriche. All’interno del tubo era collocato il campione, contenuto in una piccola capsula di platino nella quale avveniva la combustione (Figura 4).
Figura 4. Frontespizio dell’opera Quantitative Organic Microanalysis di Fritz Pregl e schema in sezione dello strumento sviluppato da Pregl per la microanalisi organica di carbonio e idrogeno.
Per garantire una combustione completa e impedire interferenze durante la misura, il tubo conteneva diversi materiali assorbenti e ossidanti disposti in successione. Alcuni di essi avevano il compito di trattenere alogeni e altri sottoprodotti indesiderati, mentre ossido rameico e cromato di piombo favorivano la completa ossidazione della sostanza analizzata. Una particolare sezione riscaldata impediva inoltre la condensazione del vapore acqueo prima che questo raggiungesse i sistemi di raccolta finali. All’uscita dell’apparato, i prodotti della combustione attraversavano infine due capsule estraibili contenenti rispettivamente cloruro di calcio e calce sodata, utilizzate per trattenere selettivamente acqua e anidride carbonica. La variazione di peso di questi assorbenti consentiva di determinare il contenuto di idrogeno e carbonio del campione analizzato [14].
Conclusioni
La storia dell’analisi elementare testimonia come l’evoluzione della chimica sia stata profondamente influenzata dalla capacità di misurare con precisione la composizione delle sostanze. Gli strumenti sviluppati da Lavoisier, Liebig, Pregl e Dumas non furono semplicemente dispositivi sperimentali, ma veri punti di svolta metodologici che resero possibile il consolidamento della chimica quantitativa moderna. Nel corso di poco più di un secolo si passò da tecniche complesse, lente e fortemente dipendenti dall’abilità dell’operatore a sistemi sempre più affidabili, miniaturizzati e riproducibili. In particolare, la microanalisi introdotta da Pregl rappresentò il collegamento diretto tra le metodologie classiche e gli analizzatori automatici contemporanei. Sebbene oggi la determinazione elementare sia eseguita mediante strumenti altamente automatizzati, i principi fondamentali introdotti nell’Ottocento restano ancora alla base delle tecniche moderne, confermando l’eredità scientifica di questi pionieri dell’analisi chimica.
Riferimenti
[1] Stechiometria P. Nylén, N. Wigren Ed. Cedam, Padova: 1971 (Esercizio 3-12)
[2] W. Kandioller, J. Theiner, B. K. Keppler, C.R. Kowol, Elemental analysis: an important purity control but prone to manipulations, Inorg. Chem. Front. 2022, 9, 412. https://doi.org/10.1039/D1QI01379C
[3] Jung, S., Rickert, D.A., Deak, N.A. et al. Comparison of kjeldahl and dumas methods for determining protein contents of soybean products. J Amer Oil Chem Soc 80, 1169–1173 (2003). https://doi.org/10.1007/s11746-003-0837-3
[5] G. Biagiotti, G. Toniolo, M. Albino, et al., Simple engineering of hybrid cellulose nanocrystal–gold nanoparticles results in a functional glyconanomaterial with biomolecular recognition properties, Nanoscale Horiz., 2023, 8, 776-782. http://dx.doi.org/10.1039/D3NH00063J
[4] B.Bertoncini, A.Taddeucci, S.Trano, et al. A Multipotent Precursor Approach for the Preparation of High-Molecular Weight Conjugated Polymers with Redox Active Units, Small Methods, 9 (2025): 2500488. https://doi.org/10.1002/smtd.202500488
[6] S. Volante, R. Atussaufiyah, F. M. Vivaldi, et al., Valorization of hazelnut shell waste biomass into sustainable carbons for energy storage applications, Waste Management, 213, 2026, 115363. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2026.115363.
[7] Fourel, F., Martineau, F., Lécuyer, C., Kupka, H.-J., Lange, L., Ojeimi, C. and Seed, M. (2011), 18O/16O ratio measurements of inorganic and organic materials by elemental analysis–pyrolysis–isotope ratio mass spectrometry continuous-flow techniques. Rapid Commun. Mass Spectrom., 25: 2691-2696. https://doi.org/10.1002/rcm.5056
[8] Lavoisier, A.-L. Traité élémentaire de chimie. Paris, 1789. Disponibile per la consultazione su: https://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k9797843p/f9.item.r=Lavoisier,%20A
[9] Liebig, J. “Ueber einen neuen Apparat zur Analyse organischer Körper, und über die Zusammensetzung einiger organischen Substanzen”, Annalen der Physik und Chemie 21 (1831), 1–39. Disponibile per la consultazione su: https://archive.org/details/sim_annalen-der-physik_1831_21/page/n1/mode/2up
[10] Liebig, Justus von. Anleitung zur Analyse organischer Körper. Braunschweig: Friedrich Vieweg und Sohn, 1837. Disponibile su: https://library.si.edu/digital-library/book/anleitungzuranal00lieb
[11] https://www.liebig-museum.de/museum-laboratorium/panorama/
[12] Jean-Baptiste André Dumas, Lettre de M. Dumas à M. Gay-Lussac, sur les procédés de l’analyse organique, Annales de Chimie et de Physique, 2e série, 47 (1831), 198–213. Disponibile per consultazione su: https://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k6568973j/f204.item
[13] Fritz Pregl – Nobel Lecture. NobelPrize.org. https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/1923/pregl/lecture/
[14] Pregl, F., Die quantitative organische Mikroanalyse Springer, Berlin, 1917. Disponibile per la consultazione su: https://ia800708.us.archive.org/20/items/in.ernet.dli.2015.52892/2015.52892.Quantitative-Organic-Microanalysis-Of-Fritz-Pregl.pdf
