METODOS DE ANILISIS QUIMICO

La química analítica tiene como finalidad el estudio de la composición química de un material o muestra,

mediante diferentes métodos de laboratorio. También la podemos definir como la ciencia que desarrolla y mejora métodos e instrumentos para obtener información sobre la composición y naturaleza química de la materia.

Dentro de la Química Analítica se incluye el Análisis Químico que es la parte práctica que aplica los métodos de análisis para resolver problemas relativos a la composición y naturaleza química de la materia. La metodología de un análisis químico es un proceso analítico general consistente en un conjunto de procedimientos realizados para solucionar un determinado problema analítico. En la figura se esquematiza este proceso:

Definición del

problema es la primera etapa, en ella se plantea el tipo de análisis que se necesita y la escala de trabajo. • Tomar en cuenta el tamaño de muestra, costo, tiempo, exactitud de los resultados y validez del método.

Elección del método analítico, es el aspecto clave para una resolución adecuada del problema. Una vez elegido el método, se procede a su ejecución.

Valorar los resultados obtenidos para establecer si el problema ha sido resuelto de forma satisfactoria.

La química Analítica pueden diferenciarse en: Química Analítica Cualitativa y cuantitativa.1) QUIMICA ANALITICA CUALITATIVA: se centra en identificar la presencia o ausencia de un

analito.Aseguran la presencia o ausencia de uno o más analitos en una muestra considerando sus propiedades físicas, biológicas o químicas”.Son extremadamente variados el análisis cualitativo mediante observación o medida de una propiedad analítica el cual debe ser observado, medido, y controlado al presentarse cualquier fenómeno.El análisis químico cualitativo se puede emplear por dos formas de trabajo: vía seca y vía humada.

VIA SECA

Se practican sobre muestras sólidas, tienen como ventaja que se puede trabajar con poca cantidad de sustancia para identificar a los elementos en un corto espacio de tiempo.

Ensayos a la llamaEl uso de la llama para observar el color emitido por algunos elementos. El método consiste en mezclar el mineral pulverizado con unas gotas de ácido clorhídrico y formar una pasta que se toma con un alambre de platino y se coloca a la llama oxidante de un mechero de gas. Las sales de ciertos cationes (alcalinos, alcalino-térreos, metales de transición) y de ciertos aniones (halogenuros, etc.) dan coloraciones a la llama de un mechero de gas. Otras sales dan luminiscencia a la llama.

Ensayos en tubo cerradoSe realizan colocando el mineral en el fondo de un tubo de vidrio que se somete a un intenso calentamiento. Como consecuencia pueden observarse cambios de color, fusiones, decrepitaciones, desprendimiento de agua o desprendimiento de otros gases con olores. Son

muy interesantes los sublimados que pueden aparecer en las paredes del tubo y que se relacionan con elementos tales como azufre, arsénico, antimonio o mercurio.

Ensayos en tubo abierto

Se emplea un tubo acodado y abierto por ambos lados,. Se coloca el mineral pulverizado en el mismo codo y se calienta dejando una rama casi horizontal, mientras que la otra permanece inclinada, a modo de chimenea. Con ello se favorece el paso de aire por el mineral caliente. Aporte de oxígeno da lugar a procesos de oxidación que conducen a diferentes resultados.

Ensayos a la perla

Los ensayos a la perla se suelen realizar mezclando el mineral pulverizado, bien con bórax o bien con otras sales. El fundamento de estos ensayos se encuentra en la formación, por medio del calor, de sales más o menos complejas, en las que se integran los cationes de los minerales, dando lugar a coloraciones características.

También puede ocurrir que los colores de las perlas, una vez formadas, evolucionen a medida que se van enfriando y por ello conviene observarlas en caliente y en frío.

Ensayos sobre carbón

Se trata de uno de los ensayos más clásicos de la Mineralogía y requiere una especial destreza por parte del operador. Se considera que este ensayo es orientativo sobre la presencia de determinados elementos. El ensayo puede realizarse calentando el mineral sólo sobre el carbón o mezclado con ciertos reactivos.Es importante observar el residuo obtenido como consecuencia de la reducción efectuada por el carbón y también el aspecto de la aureola que rodea al residuo.

VIA HUMEDA:

Se realizan en muestras en solución la determinación por vía húmeda da resultados bastante exactos, pero exige un mayor trabajo y requiere un equipo de laboratorio más sofisticado.

Precipitación: Formación de complejos insolubles coloreados o no o no al mezclar disoluciones cuya reacción este tipo de reacción se utiliza para la separación de iones entre si analizando los aniones y cationes mediante su separación en colores o fases diferentes para su identificación.

Desprendimientos gaseosos: Un considerable número de reacciones se basan en la posibilidad de producir mediante la adición de un reactivo el desprendimiento de un gas cuyo color es característico como al tratar ácidos fuertes con sales de ácidos débiles y volátiles permitiendo reconocer el gas desprendido.

Catálisis: Este proceso en el cual una pequeña cantidad de sustancia actúa modificando la velocidad de reacción se utiliza con frecuencia para la identificación de la sustancia que provoca el fenómeno es decir el catalizador o el producto de la reacción de formada.la reacción es momentánea o transitoria.

InducciónProceso en el que un compuesto inductor a través de una reacción provoca o acelera otra reacción mediante la que se identifica el inductor.En toda reacción de inducción existe un actor que es el compuesto común en todas las reacciones, un inductor que es la sustancia que al reaccionar con el actor induce la segunda reacción y un

aceptor que es el reactivo que a consecuencia de su reacción de su reacción con el actor es inducido.la reacción es permanente.

2) QUIMICA ANALITICA CUANTITATIVA: que desarrolla métodos para determinar su concentración.Los métodos de análisis cuantitativo se pueden dividir en dos grupos, basados en la medida final del análisis, cuya magnitud depende de la magnitud de la muestra tomada.

CLASICOS que tienen interacción materia materia. INSTRUMENTALES con interacción energía materia

METODOS CLASICOS:

METODOS GRAVIMETRICOLos métodos gravimétricos no ocupan un lugar predominante en Química Analítica,debido a ciertas dificultades de utilización, como ser procesos largos y requieren un control riguroso de distintos factores, exigencia de personal experimentado, etc. Sin embargo, ofrecen importantes ventajas, tales como su carácter absoluto y su exactitud.Los métodos gravimétricos se caracterizan porque lo que se mide en ellos es la masa. Como esta magnitud carece de toda selectividad, se hace necesario el aislamiento de la sustancia que se va pesar de cualquier otra especie, incluido el disolvente.Los métodos gravimétricos se suelen clasificar según el procedimiento empleado para llevar a cabo esa etapa.

Los métodos gravimétricos de precipitación química: Se llevan a cabo sobre la muestra en disolución, de la que se separa la especie a determinar por adición de un reactivo que provoca la formación de un precipitado insoluble que contendrá nuestro analito. Después, el precipitado se debe separar de la disolución (por filtración), lavar y secar o calcinar para pesar el residuo final.

Los métodos de precipitación electroquímica o electrogravimétricos: Se basan en las leyes de la electrolisis, y consisten en precipitar el elemento a determinar (generalmente en forma elemental

obtenida por un proceso redox electroquímico) y pesar la especie depositada sobre el electrodo. Estos métodos presentan la ventaja de que el constituyente a determinar se deposita sobre el electrodo en forma pesable, por lo que por simple diferencia de peso en el electrodo antes y después de la deposición se obtiene la cantidad buscada.

Los métodos gravimétricos por volatilización: El componente a determinar o sus acompañantes se transforman en un compuesto volátil que se elimina, pudiéndose recoger sobre un absorbente adecuado que se pesa (métodos directos) o se pesa el residuo obtenido, determinando por diferencia el peso del componente de interés (métodos indirectos). Su principal dificultad reside en la falta de selectividad, pues, frecuentemente, junto con el constituyente de interés se pueden volatilizar total o parcialmente otros componentes de la muestra. Por ejemplo, cuando deseamos determinar la cantidad de agua de una muestra de alimento, se pesa la muestra de alimento inicial y después de haberse desecado por completo.

Los métodos gravimétricos por extracción:un disolvente apropiado. Una vez conseguida la separación cuantitativa se elimina el disolvente y se pesa el producto buscado. La principal ventaja de estos métodos frente a los de precipitación es que generalmente son más rápidos y "limpios", pues no existe la posibilidad de producirse fenómenos de contaminación por coprecipitación, oclusión, etc, que ocurren con cierta frecuencia en aquellos.

METODOS VOLUMÉTRICO

El análisis volumétrico se utiliza para la determinación precisa de cantidades de analito. Se basan en la medida de un volumen de la disolución de un reactivo R necesario para que el analito A se verifique cuantitativamente.

Para llevar a cabo una volumetría se añade un volumen, medido con gran exactitud, de una disolución cuya concentración se conoce (reactivo valorante), de modo que se produzca una reacción cuantitativa con el analito que se ajuste exactamente a una ecuación definida. Para ello se necesita:

I. PREPARACION DEL REACTIVO VALORANTE: Los productos químicos empleados deben ser de calidad elevada. De esta manera, la pureza queda vinculada a la técnica analítica, y puede ocurrir que un cuerpo que consideramos puro no lo sea cuando se descubren, o se utilizan técnicas más perfectas de fraccionamiento.

II. SUSTANCIAS PATRON: la disolución de cualquier sustancia cuya concentración se conozca exactamente se denomina disolución patrón. La preparación de disoluciones de concentración conocida puede llevarse a cabo a partir de sustancias (solutos) tipo primario (patrones primarios) o secundario. Patrón primario. Sustancia adecuada para preparar disoluciones de concentración conocida por pesada directa.Patrón secundario. Sustancia cuya disolución es estable y de concentración fácilmente determinable, pero que no es adecuada para prepararla por pesada directa.

III. CARACTERISTICAS DE UNA REACCION PARA SU EMPLEO EN VOLUMETRIAS Solo unos cuantos pueden servir de base a un procedimiento volumétrico, deben cumplirse una serie de condiciones, como ser:

Estequiométrica. La reacción debe ocurrir de acuerdo a una ecuación química definida. No deben producirse reacciones secundarias.

Constante de equilibrio favorable. Esto quiere decir que la reacción debe transcurrir virtualmente hasta completarse.

Rápida.-Es fundamental que la reacción sea completa antes de cada nueva adición de reactivo. Disponer de indicador adecuado. Un indicador cambia bruscamente en las proximidades del

punto de equivalencia. El cambio se debe a la desaparición del analito o aparición del exceso de reactivo valorante. El punto de equivalencia es aquél en el que la cantidad de reactivo valorante añadido es igual a la cantidad exactamente requerida para que el analito reaccione. Interferencias. El resto de las sustancias presentes en la disolución no deben reaccionar ni interferir con la reacción principal

.

PRODUCTOS

A Equivalente a RCantidad de

+ RA

A

R49

50

CURVAS DE VALORACION: Las curvas de valoración, son gráficas donde se representa la propiedad que varía durante la valoración (pH, potencial, etc.) en función del reactivo valorante añadido. Pueden clasificarse en lineales, curvas logarítmicas y curva diferencial.

CLASIFICACION DE LOS METODOS VOLUMETRICOS

a) Métodos basados en la combinación de iones o moléculas:ACIDO-BASE: Están basadas en la reacción de neutralización entre el analito y una disolución de ácido o base que sirve de referencia. Para determinar el punto final, usan un indicador de pH, un pH-metro. Las relaciones establecidas son equilibrio homogéneo o de neutralización entre iones que se producen al estar en contacto con un ácido o con una base para posteriormente obtener una sal. Una valoración ácido-base es una técnica o procedimiento de análisis cuantitativo muy usada, que permite conocer la concentración desconocida de una disolución de una sustancia que pueda actuar como ácido o base, neutralizándolo con una base o ácido de concentración conocida. (Medio acuoso y no acuoso)

COMPLEJOS: Estas valoraciones están basadas en la formación de un complejo entre el analito y el valorante. El agente quelante EDTA se utiliza muy frecuentemente para valorar iones metálicos en solución. Estas valoraciones generalmente requieren un indicador especializado que forma complejos más débiles con el analito. Un ejemplo común es el Negro de Eriocromo T para la valoración de los iones de calcio y magnesio. Pueden considerarse la formación de quelatos:

H2Y2– + Cu2+ —> CuY2– + 2 H+ (H4Y=ácido etilendiaminotetraacético)

PRECIPITACION: Son aquellas basadas en las precipitaciones. Uno de los tipos más habituales son las Argentometrías: precipitación de aniones como los halógenos ( F-, Cl-, Br-, I-) y el tiocianato (SCN-) con el ion plata. Ag+. Esta titulación está limitada por la falta de indicadores apropiados. El fundamento de estos métodos es la formación de especies poco solubles:

Ag+ + Cl– —> AgCl

b) Métodos basados en la transferencia de electrones:OXIDACION-REDUCCION: Estas valoraciones están basadas en una reacción de redox entre un agente oxidante y un agente reductor. El agente oxidante (o el agente reductor) se

añade en la bureta previamente lavada con el mismo agente oxidante. El reductor (o el agente oxidante) se añade en el matraz Erlenmeyer. El procedimiento para realizar las valoraciones redox es similar al requerido para realizar las valoraciones ácido-base. Por otro lado, algunas valoraciones redox no requieren un indicador, debido al color intenso de alguno de los componentes.

Ce4+ + Fe2+ —> Ce3+ + Fe3+

METODOS INSTRUMENTALES: Los métodos Instrumentales o Fisicoquímicos se basan en propiedades de interacción (absorción o emisión) de la materia con energía radiante o electromagnética. Estos métodos están muy difundidos gracias a las características de estas interacciones y al amplio espectro de las radiaciones. A su vez dentro de los métodos instrumentales tenemos las siguientes divisiones:

a) METODOS OPTICOS: Los métodos ópticos miden las interacciones entre la energía radiante y la materia. Los primeros instrumentos de esta clase se crearon para su aplicación dentro de la región visible y por esto se llaman instrumentos ópticos. La energía radiante que se utiliza para estas mediciones puede variar desde los rayos X, pasando por la luz visible, hasta las ondas de radio. FOTOMETRIA A LA LLAMA: Este método se utiliza en el análisis del agua para determinar la

concentración de los metales alcalinos o alcalinotérreos como el sodio, el potasio y el calcio. El espectro emitido por cada metal es diferente, y su intensidad depende de la concentración de los átomos en la llama.

b) METODOS ELECTRICOS: Los métodos eléctricos de análisis tienen en cuenta las relaciones entre los fenómenos químicos y eléctricos. Son particularmente útiles en la química del agua, puesto que ofrecen monitoría y registros continuos. El medidor de pH es probablemente el método de análisis más usado. En este método, se insertan en la solución un electrodo de vidrio y otro de referencia, y el potencial o voltaje eléctrico que existe entre ellos es una medida de la concentración de iones hidrógeno en la solución. Los métodos que se basan en este principio son los potenciómetros. METODO POTENCIOMETRICO: Los métodos potenciométricos de análisis se basan en las

medidas del potencial de celdas electroquímicas en ausencia de corrientes apreciables. Siendo su objetivo determinar la concentración de los analito a partir de los datos de potenciales de electrodo. El método se basa en la disposición de dos electrodos, uno de referencia, uno indicador, y un dispositivo de medida de potencial. La potenciometría es una técnica electroanalítica con la que se puede determinar la concentración de una especie electroactiva en una disolución empleando un electrodo de referencia (electrodo de potencial constante con el tiempo y conocido) y un electrodo de trabajo (electrodo sensible a la especie electroactiva).

El electrodo de referencia es una semicelda cuyo potencial de electrodo Eref se conoce con exactitud y es independiente de la concentración del analito

u otros iones en la disolución de estudio. Por convenio, el electrodo de referencia siempre se usa como el de la izquierda en las medidas potenciométricas.

El electrodo indicador que se sumerge en la disolución del analíto, adquiere un potencial Eind, que depende de la actividad del analito.

Puente salino (Ej), el cual impide que los componentes de la disolución del analito se mezclen con el electrodo de referencia. En la superficie de cada extremo del puente salino se desarrolla un potencial de unión líquida. Estos dos potenciales tienden a anularse mutuamente si las movilidades del catión y el anión son casi iguales. El cloruro de potasio es un electrolito para el puente salino casi ideal, puesto que las movilidades del K+ y el Cl-.

c) METODOS CROMATOGRAFICOS: La cromatografía es uno de los principales métodos para la separación de especies químicas estrechamente relacionadas en mezclas complejas. Es un método físico de separación basado en la distribución de los componentes de una mezcla entre dos fases inmiscibles, una fija o estacionaria y otra móvil.En todas las separaciones cromatografícas la muestra se disuelve en una fase móvil, que puede ser un gas un líquido o un fluido supercrítico. Esta fase móvil se hace pasar a través de una fase estacionaria inmiscible, la cual se mantienen fija en una columna o sobre una superficie sólida. Las fases se eligen de tal forma que los componentes de la muestra se distribuyen de modo distinto entre la fase móvil y la fase estacionaria. Aquellos componentes que son retenidos con más fuerza por la fase estacionaria se mueven lentamente con el flujo; por el contrario los componentes que unen débilmente a la fase estacionaria, se mueven con rapidez. Como consecuencia de la distinta movilidad, los componentes de la muestra se separan en bandas discriminadas que pueden analizarse cualitativa y/o cuantitativamente.

La separación cromatográfica es una de las dos principales características de los instrumentos cromatográficos; la otra es detección y cuantificación de los compuestos.

En la actualidad los instrumentos cromatográficos se usan ampliamente en la ingeniería ambiental, ya que permiten mediciones cuantitativas rápidas de los químicos presentes en mezclas complejas. El desarrollo de éstos instrumentos versátiles y sensibles ha sido uno de los factores más importantes que han hecho posible que la profesión de la ingeniería ambiental pueda controlar la multitud de amenazas químicas creadas por el continuo crecimiento de la industrialización de la sociedad.

d) OTROS: Existen muchos otros métodos de análisis instrumental disponibles que son de gran interés para los ingenieros ambientales por la creciente complejidad de los problemas a resolver, y por la mayor preocupación por los efectos de los contaminantes orgánicos e inorgánicos sobre la salud y el medio ambiente.

Los rayos X son radiaciones electromagnéticas de longitud de onda corta; se usan con fines analíticos, del mismo modo que otras radiaciones de longitud de onda más larga, con la luz visible. La absorción de los rayos X sigue las mismas leyes de absorción que las otras radiaciones, excepto que el fenómeno es a nivel atómico, en vez de molecular. La absorción de los rayos X es usada para la medición de la presencia de elementos pesados en sustancias compuestas principalmente de materiales de bajo peso atómico. Un ejemplo es la determinación de la cantidad de uranio en solución.

Espectrometría de masa puede facilitar la identificación de un gran número de compuestos orgánicos específicos presentes en el agua y en el agua residual.

Ésta poderosa herramienta que cada vez se usa con mayor frecuencia; está ayudando a resolver muchos problemas analíticos difíciles y ha servido bastante para mejorar nuestro conocimiento sobre la naturaleza y el destino final de los materiales orgánicos en el ambiente, y para el desarrollo de medidas técnicas de control.