Conceptos Fundamentales en Química Analítica

Volumetrías y Titulaciones

Punto de Equivalencia

El punto en el cual ha reaccionado toda la sustancia de concentración desconocida (sustancia problema) con la sustancia de concentración perfectamente conocida (sustancia patrón o agente valorante).

Factorización

Es el proceso en el que se corrige la normalidad de una disolución de normalidad aproximada mediante el uso de patrones, con el fin de obtener la normalidad exacta. Durante una valoración, el punto de equivalencia se alcanza cuando la cantidad de equivalentes del valorante añadido es igual a la cantidad de equivalentes del analito en la muestra.

Patrones

Patrón Primario

Es un compuesto de alta pureza que sirve de referencia en todos los métodos volumétricos y gravimétricos. La exactitud de un método depende críticamente de las propiedades de este compuesto.

Patrón Secundario

Muy pocos reactivos cumplen con todos los criterios de un patrón primario, de ahí que el analista solo tiene acceso a un número limitado de estos. Por esta razón, se utilizan compuestos menos puros, o patrones secundarios, en lugar de un patrón primario. La concentración de un patrón secundario debe determinarse previamente mediante su factorización con otro patrón. Los patrones secundarios son más económicos que los primarios y, además, no requieren tantas exigencias, pudiendo prepararse su concentración de un modo aproximado y posteriormente determinar su concentración con exactitud mediante el contraste o factorización.

Métodos Volumétricos Específicos

Método de Mohr

Se usa un indicador que forma un segundo precipitado coloreado, menos estable.

Método de Volhard

Formación de un compuesto soluble coloreado, mediante volumetría por retroceso. Ejemplo: determinación de cloruros. Es una volumetría por retroceso donde se agrega al ion a valorar un exceso conocido de disolución de nitrato de plata de concentración conocida. Parte de la plata precipitará como AgCl y el resto se determina valorando con tiocianato (sulfocianuro) potásico (KSCN), un patrón secundario, en presencia de una sal férrica como indicador.

Cromatografía

Se basa en las diferencias en la distribución de distintos solutos entre una fase móvil y una fase estacionaria, utilizándose para separar, identificar y determinar los componentes químicos de una muestra. Existen diferentes técnicas cromatográficas entre las que podemos destacar:

• Cromatografía en Papel y en Capa Fina (CCF): En este tipo, la fase móvil es líquida y va ascendiendo a través de un sólido que la va adsorbiendo.
• Cromatografía Clásica en Columna: Similar a la capa fina, pero realizada en una columna de vidrio.
• Cromatografía de Gases: En ella, la fase móvil es un gas inerte (He, Ar, N₂). La fase estacionaria suele ser un sólido o, más comúnmente, un líquido.
• Cromatografía de Líquidos de Alta Eficacia (HPLC): En ella, la fase móvil es un líquido impulsado por una bomba y la fase estacionaria suele ser un sólido.

Términos Generales en Química Analítica

Muestra

Parte representativa de la materia objeto del estudio.

Analito

Especie química que se determina.

Técnica

Medio de obtener información sobre el analito.

Método

Conjunto de operaciones y técnicas aplicadas a la determinación de una muestra.

Interferente

Especie química con respuesta similar a la del analito.

Calibración y Parámetros de Rendimiento

Métodos de Calibración

Calibración Simple

Este método mide la señal instrumental que ofrecen varias disoluciones patrón del analito y la representa frente a sus respectivas concentraciones. Para construir la recta de calibrado, se deben seguir los siguientes pasos:

1. Preparación de una disolución madre de concentración perfectamente conocida: Preparada bien por pesada directa de una cantidad de patrón primario (ausente de humedad) y dilución final hasta un volumen exacto conocido, o bien, a partir de una sustancia de menor pureza (patrón secundario) pero previamente contrastada.
2. Preparación de una serie de disoluciones patrón con diferentes concentraciones conocidas de analito: Estas deben estar uniformemente distribuidas a lo largo del intervalo de linealidad del método. Todas estas disoluciones patrón deberán contener la misma cantidad de los diferentes reactivos auxiliares que sean necesarios para llevar a cabo el procedimiento de determinación del analito. Estas disoluciones se prepararán a partir de la disolución madre mediante diluciones.

También se debe preparar un blanco, que es una disolución que contiene todos estos reactivos auxiliares, pero no el analito. Con dicho blanco se registra su lectura, o bien, se ajusta el instrumento a cero y, a continuación, se mide la señal de los distintos patrones y se representa frente a las respectivas concentraciones.

Un aspecto importante a destacar sobre la medida de la señal del blanco, es decir, de la medida de la disolución estándar con concentración cero del analito, es que hay métodos analíticos que simplemente no requieren de dicha medida (por ejemplo, los métodos potenciométricos, CG, HPLC, etc.). En esos casos, la recta de calibrado se construye con los datos de las restantes disoluciones estándar, sin incluir las lecturas del blanco.

La función de calibrado típica que ofrece esta calibración responde a la forma:

y = a + b·x

Donde:

• y: Señal del instrumento en las unidades correspondientes.
• a: Ordenada en el origen. Sus unidades son iguales a las de la señal (y).
• b: Pendiente de la recta. Sus unidades son y(señal)/x(concentración).
• x: Suele ser la concentración del analito. Sus unidades serán unidades de concentración (ppm, mg/L, mol/L, etc.).

Una vez obtenida la función de calibrado, se toma una alícuota de la muestra, disuelta mediante el tratamiento adecuado, se diluye y se mide la señal instrumental (se hacen tres réplicas, es decir, tres medidas en la muestra, y con las tres lecturas de su señal, se obtiene la señal media). La concentración de la muestra se puede obtener mediante interpolación a partir de la representación de dicha señal media en la gráfica, o bien, por despeje matemático usando la ecuación de la curva patrón obtenida del ajuste de mínimos cuadrados en dicha gráfica.

Calibración por Adición Estándar

Este método se basa en la medida del incremento de señal provocado por la adición de cantidades exactamente conocidas del analito a un volumen de muestra también exactamente conocido. Este método minimiza o elimina el efecto matriz, pero presenta el inconveniente de ser un proceso más largo y laborioso. Para llevarlo a cabo, se añaden diferentes cantidades de patrón a una serie de alícuotas idénticas de la muestra, se diluyen hasta un volumen determinado, con lo que las disoluciones únicamente diferirán en la concentración del analito, y se mide la señal de cada disolución.

La concentración del analito en C₀ se puede determinar, ya que corresponde al valor de la abscisa en la ordenada cero. Para el cálculo, se debe extrapolar al eje de abscisas de la recta obtenida y de este modo se obtiene la concentración de la muestra diluida, o bien usar la ecuación de la recta igualándola a cero. Finalmente, se ha de tener en cuenta el factor de dilución realizado en el patrón C₀ para obtener la concentración del analito en la muestra.

Parámetros de Rendimiento Instrumental

Sensibilidad del Instrumento

Se define como su capacidad para discriminar entre pequeñas diferencias en la concentración de un analito.

Límite de Detección (LD)

Aquella concentración que proporciona una señal instrumental significativamente diferente de la señal de una muestra en blanco, o la señal de fondo (ruido). Es la menor magnitud que puede medirse de un analito de forma que sea detectado, pero no necesariamente cuantificado, como un valor con suficiente exactitud.

Límite de Cuantificación (LC)

Se puede definir como la cantidad más pequeña de un analito que puede cuantificarse de forma fiable por el instrumento. Generalmente, se acuerda la cuantificación como la señal para una concentración igual a 10 veces la desviación estándar del blanco.

Selectividad

Durante la realización de una medida, sería ideal que la señal obtenida fuese proporcionada únicamente por el analito que se desea determinar.

Instrumentación en Química Analítica

Espectrofotómetro

Componentes principales de un espectrofotómetro:

1. Fuente estable de energía radiante: Su misión es proporcionar energía radiante estable en forma de luz visible o no visible. Existen distintas lámparas que emiten en distintas zonas del espectro (visible, UV, etc.).
2. Rendijas de entrada y salida: Su función es reducir al máximo la luz difusa y evitar que la luz dispersa entre en el sistema de selección de longitud de onda.
3. Selector de longitud de onda: Su finalidad es seleccionar la longitud de onda o intervalos de longitud de onda deseados para la determinación. Se clasifican en filtros y monocromadores.
4. Cubeta destinada a contener la muestra: Es el recipiente donde se coloca la muestra para la medición espectrofotométrica.
5. Detector de energía radiante: Existen dos tipos de detectores empleados tanto en las regiones del visible como del UV: células fotovoltaicas y fototubos.
6. Presentación de datos: La energía eléctrica del detector se refleja en sistemas de lectura y presentación de datos. Estos pueden ser sistemas de lectura directa, que suelen ir aplicados a aparatos con detectores del tipo fotocélulas, o bien pueden introducir amplificadores de señal, como ocurre en los aparatos con fototubos.

Polarimetría y Polarímetro

Polarimetría

La rotación específica es una característica a determinar en los compuestos ópticamente activos, que giran el plano de la luz polarizada.

Polarímetro

La luz introducida es polarizada en un plano determinado mediante el polarizador y luego se hace pasar a través de la disolución de la sustancia que se pretende determinar. A continuación, esta luz pasa por un nuevo polarizador que deberá estar colocado en la posición adecuada para permitir el paso de la luz hasta el objetivo, para lo cual se dispone de un sistema que permite girarlo alrededor de un eje. Gracias a una lente, se puede observar un círculo y ajustar el ángulo, girando el segundo polarizador para obtener un máximo de intensidad luminosa y una imagen nítida por el ocular. Si se mide ese ángulo cuando el recipiente está vacío y cuando el recipiente está lleno con una sustancia ópticamente activa, la diferencia entre ambos valores permite calcular el poder rotatorio de la disolución.

Criterios Estadísticos para Datos Experimentales

Criterio 2S

Es una herramienta muy útil para decidir si hay que aceptar o no posibles valores sospechosos. Presenta la ventaja de no necesitar tablas estadísticas auxiliares en su aplicación. Este criterio tiene sentido cuando se aplica en series donde el número de datos es muy importante. Aplicación: 4 valores o más; es más eficaz cuantos más valores experimentales tenga la serie. Para el cálculo no se ha de utilizar el valor que consideremos sospechoso. Con el resto de los valores calcularemos la media aritmética y la desviación estándar.

Criterio: Si el resultado sospechoso está dentro del intervalo x ± 2S, se acepta; de lo contrario, se rechaza. En el caso de que el valor sospechoso coincida con uno de los límites del intervalo calculado, se acepta.

Test Q de Dixon

Es uno de los criterios más utilizados, aunque es menos restrictivo que los anteriores. Aplicación: 3 valores o más. Este criterio presenta un cálculo más sencillo, pero requiere la presencia de la tabla estadística correspondiente. Para series reducidas (3-4 valores), presenta el problema de que acepta muchos valores dudosos.

Criterio: Para ello, debemos seguir los siguientes pasos:

1. Se ordenan los datos a estudiar en orden ascendente para seleccionar el valor discordante: x1, x2, x3, x4, xS (supuesto discordante).
2. Se aplica la siguiente fórmula:

Qexp = [valor rechazable - valor más próximo] / rango

Donde el rango es: xmayor - xmenor