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AnálisisInstrumentalManual

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Análisis instrumental
Manual de laboratorio
Carmen Gómez Benito
Sagrario Torres Cartas
EDITORIAL
UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE VALÈNCIA
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EDITORIAL
UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE VALÈNCIA
Colección Académica
Los contenidos de esta publicación han sido revisados por el Departamento de Química de la
Universitat Politècnica de València
Para referenciar esta publicación utilice la siguiente cita:
Gómez Benito, C. , Torres Cartas, S. (2017). Análisis instrumental: manual de laboratorio. Valencia:
Editorial Universitat Politècnica de València
+ 5 ;% + 5 ;% © Carmen Gómez Benito
Sagrario Torres Cartas
© 2017, Editorial Universitat Politècnica de València
distribución: www.lalibreria.upv.es / Ref.: _0_01_01
ISBN: 978-84-8363-891-0 !"# $%&'&'&**'&$'% La Editorial UPV autoriza la reproducción, traducción y difusión parcial de la presente publicación con
fines científicos, educativos y de investigación que no sean comerciales ni de lucro, siempre que se
identifique y se reconozca debidamente a la Editorial UPV, la publicación y los autores. La autorización
para reproducir, difundir o traducir el presente estudio, o compilar o crear obras derivadas del mismo en
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Presentación
Este libro nace con una intención muy concreta, ser un texto de apoyo al trabajo experimental de la asignatura Análisis Instrumental que se imparte en el Grado en Ciencias
Ambientales. Supone una revisión profunda del libro Técnicas Instrumentales. Manual de laboratorio publicado en esta editorial, que estaba pensado especialmente para
los estudiantes de la licenciatura, y ahora se ve enriquecido al recoger la experiencia
de las autoras en todo este tiempo.
Dada su naturaleza introductoria, el texto también será útil para cualquier estudiante
que realice análisis cuantitativos básicos por primera vez. En él, los estudiantes encontrarán un abanico de prácticas de laboratorio que les permitirá adquirir experiencia en
los análisis más habituales. Ello implica un conocimiento previo de los conceptos básicos de análisis químico, así como de las técnicas instrumentales más utilizadas.
Cada una de las prácticas descritas en este libro está estructurada en seis apartados: en
primer lugar los objetivos que se pretenden alcanzar con el desarrollo del experimento.
Tras ellos se incluye un breve y conciso fundamento teórico de la técnica analítica
empleada y sus aplicaciones. A continuación, se enumera el material y los reactivos
necesarios para la realización de la práctica, incluyendo la forma de prepararlos en
determinados los casos. Por último, se detalla el procedimiento experimental, seguido
de un apartado de resultados en el que se pretende que el alumno anote los datos obtenidos en la experiencia y que le permitirán resolver las cuestiones planteadas. La idea
es que tanto los fundamentos teóricos básicos como los procedimientos experimentales, queden reflejados en un mismo libro, de forma que éste pueda ser útil para una
mejor comprensión de la asignatura e incluso para aquellos alumnos que en el futuro
ejercicio de su profesión, necesiten realizar análisis de sencillas muestras ambientales.
Aquí hay que hacer una salvedad, y es el tema de la toma de muestras, etapa clave de
cualquier análisis y de la que no se hace mención debido a su alta especificidad. Como
primer apéndice se ha incluido información sobre seguridad en el laboratorio y proceIII
dimientos de actuación en caso de accidente, información que es importante conocer
antes de iniciarse en el trabajo experimental.
En las etiquetas de los productos químicos viene la información sobre los peligros y
las precauciones a considerar en su manejo, en este sentido se incorpora información
relativa a la normativa europea 1272/2008 CLP (acrónimo de clasificación, etiquetado
y envasado de sus siglas en inglés)
Como segundo apéndice aparece un pequeño apartado dedicado a esbozar los pasos
iniciales en la gestión de residuos en un laboratorio. El estudiante será participante
activo en la gestión de los residuos producidos en el laboratorio y aprenderá también a
interpretar y usar las etiquetas de identificación de residuos peligrosos.
En el último, se explica cómo se realiza el ajuste de los datos experimentales a una
recta por mínimos cuadrados de una forma muy sencilla, haciendo uso de una hoja de
cálculo, en particular la hoja de cálculo del LibreOffice, una suite de oficina libre y de
código abierto.
Termina el texto con un capítulo de bibliografía que recoge las referencias consultadas
para preparar este libro y que, por tanto, pueden ayudar a profundizar en los distintos
aspectos aquí tratados.
20 de julio de 2017
Carmen Gómez Benito
Sagrario Torres Cartas
IV
Índice eneral
Presentación…………………………………………...…………………………………...…….. III
Índice General…………………………………………………………………………..……….… V
Capítulo 1. Determinación potenciométrica de un ácido poliprótico ............................. 1
1.1.
Objetivos .......................................................................................................... 1
1.2.
Introducción...................................................................................................... 1
1.3.
Material ............................................................................................................ 5
1.4.
Reactivos .......................................................................................................... 6
1.5.
Procedimiento experimental ............................................................................. 6
1.6.
Cuestiones y resultados .................................................................................... 7
Capítulo 2. Determinación conductimétrica de una mezcla de ácidos ............................ 9
2.1.
Objetivos .......................................................................................................... 9
2..
Introducción...................................................................................................... 9
2..
Material .......................................................................................................... 13
2..
Reactivos ........................................................................................................ 13
2..
Procedimiento experimental ........................................................................... 13
2..
Corrección de la conductividad por el efecto de la dilución........................... 15
2.. Cuestiones y resultados .................................................................................. 16
Capítulo 3. Determinación de la humedad de un suelo ................................................. 17
3.1.
Objetivos ........................................................................................................ 17
3.2.
Introducción.................................................................................................... 17
3.3.
Material .......................................................................................................... 17
3.4.
Procedimiento experimental ........................................................................... 18
3.5.
Cuestiones y resultados .................................................................................. 18
Capítulo 4. Introducción a los métodos de análisis instrumental .................................. 19
4.1.
Introducción.................................................................................................... 19
4.2.
Ajuste de los puntos experimentales a una recta por mínimos cuadrados ...... 21
4.3.
Métodos de absorción de radiación UV-visible.............................................. 23
V
Análisis nstrumental. Manual de laboratorio
Capítulo 5. Determinación espectrofotométrica de nitritos en agua..............................25
5.1.
Objetivos ......................................................................................................... 25
5.2.
Introducción .................................................................................................... 25
5.3.
Material ........................................................................................................... 26
5.4.
Reactivos......................................................................................................... 26
5.5.
Procedimiento experimental ........................................................................... 27
5.5.1.
Construcción de la curva de calibrado .....................................................27
5.5.2.
Preparación de la muestra ........................................................................27
5.5.3.
Desarrollo del color .................................................................................27
5.5.4.
Medida en el espectrofotómetro...............................................................27
5.5.5.
Tratamiento de datos ................................................................................27
5.6.
Cuestiones y resultados ................................................................................... 28
Capítulo 6. Parámetros de calidad de un método instrumental .....................................31
6.1.
Objetivos ......................................................................................................... 31
6.2.
Introducción....................................................................................................31
6.2.1.
Turbidimetría ...........................................................................................31
6.2.2.
Parámetros de calidad de un método........................................................32
6.3.
Material ........................................................................................................... 40
6.4.
Reactivos......................................................................................................... 40
6.5.
Procedimiento experimental ........................................................................... 41
6.5.1.
Obtención de la curva de calibrado ..........................................................41
6.5.2.
Preparación de la muestra ........................................................................41
6.5.3.
Preparación de la disolución certificada de sulfatos ................................41
6.5.4.
Preparación de las disoluciones para establecer el intervalo útil .............42
6.6.
Cuestiones y resultados ................................................................................... 42
Capítulo 7. Determinación simultanea de los componentes de una mezcla ..................45
7.1.
Objetivos ......................................................................................................... 45
7.2.
Introducción .................................................................................................... 45
7.3.
Material ........................................................................................................... 47
7.4.
Reactivos......................................................................................................... 47
VI
Índice general
7.5.
Procedimiento experimental ........................................................................... 48
7.5.1.
Preparación de las disoluciones de calibrado ......................................... 48
7.5.2.
Localización de los máximos de absorción ............................................. 48
7.5.3.
Medida de la absorbancia ........................................................................ 49
7.6.
Cuestiones y resultados .................................................................................. 49
Capítulo 8. Determinación de fósforo mediante adición de patrón ............................... 51
8.1.
Objetivos ........................................................................................................ 51
8.2.
Introducción.................................................................................................... 51
8.2.1.
Método del color amarillo del complejo fosfomolibdovanadato ............. 52
8.2.2.
Método de adición de patrón o estándar .................................................. 52
8.3.
Material .......................................................................................................... 53
8.4.
Reactivos ........................................................................................................ 54
8.5.
Procedimiento experimental ........................................................................... 54
8.6.
Cuestiones y resultados .................................................................................. 55
Capítulo 9. Determinación de sodio en agua por misión tómica ............................. 57
9.1.
Objetivos ........................................................................................................ 57
9.2.
Introducción.................................................................................................... 57
9.3.
Material .......................................................................................................... 58
9.4.
Reactivos ........................................................................................................ 58
9.5.
Procedimiento experimental ........................................................................... 59
9.5.1.
Preparación de la curva de calibrado ....................................................... 59
9.5.2.
Medida en el fotómetro............................................................................ 59
9.6.
Cuestiones y resultados .................................................................................. 59
Capítulo 10. Determinación de potasio en suelo por misión tómica........................ 61
10.1. Objetivos ........................................................................................................ 61
10.2. Introducción.................................................................................................... 61
10.3. Material .......................................................................................................... 62
10.4. Reactivos ........................................................................................................ 62
10.5. Procedimiento experimental ........................................................................... 62
10.5.1.
Extracción del potasio del suelo ............................................................ 62
VII
Análisis Instrumental. Manual de laboratorio
10.5.2.
Preparación de la curva de calibrado .....................................................63
10.5.3.
Medida en el fotómetro ..........................................................................63
10.6. Cuestiones y resultados. .................................................................................. 63
Capítulo 11. Uso de electrodos selectivos mediante calibrado directo
patrón......................................................................................................65
11.1. Objetivos ......................................................................................................... 65
11.2. Introducción .................................................................................................... 65
11.2.1.
Calibrado directo....................................................................................66
11.2.2.
Método de adición de patrón o estándar ................................................66
11.3. Material ........................................................................................................... 69
11.4. Reactivos......................................................................................................... 69
11.5. Procedimiento experimental ........................................................................... 70
11.5.1.
Determinación de nitrato mediante calibrado ........................................70
11.5.2.
Determinación de amonio por el método de adición estándar ...............70
11.6. Cuestiones y resultados ................................................................................... 71
11.6.1.
Determinación de la concentración de nitrato........................................71
11.6.2.
Determinación de amonio ......................................................................72
Apéndice 1. Seguridad en el laboratorio .......................................................................73
1.1.
Objetivos ......................................................................................................... 73
1.2.
Precauciones en el laboratorio químico .......................................................... 73
1.3.
Protocolo a seguir en caso de accidente .......................................................... 75
1.3.1.
Salpicaduras .............................................................................................75
1.3.2.
Quemaduras .............................................................................................75
1.3.3.
Cortes .......................................................................................................76
1.3.4.
Ingestión de productos químicos: ............................................................76
1.3.5.
Incendio ...................................................................................................76
1.4.
Riesgos específicos de los productos químicos .............................................. 76
1.4.1.
Pictogramas de seguridad ........................................................................79
Apéndice 2. Gestión de residuos químicos....................................................................83
2.1.
Objetivos ......................................................................................................... 83
2.2.
Pautas generales .............................................................................................. 83
VIII
Índice general
2.3.
Identificación y clasificación de residuos ....................................................... 84
Apéndice 3. Ajuste por mínimos cuadrados con una hoja de cálculo ........................... 87
3.1.
Introducción.................................................................................................... 87
3.2.
Ajuste por mínimos cuadrados mediante la hoja de cálculo ........................... 87
IX
Capítulo 1
Capítulo 1
Determinación
potenciométrica de un
ácido poliprótico
1.1. Objetivos
Valorar un ácido poliprótico, el ácido fosfórico (H3PO4), con NaOH utilizando como
indicador del punto final la medida del pH.
Usar la técnica potenciométrica (medida del pH a lo largo del proceso de valoración)
como un indicador del punto final.
Considerar las limitaciones del método: no se puede aplicar a bases o ácidos muy débiles o muy diluidos; tampoco permite diferenciar especies con constantes muy próximas.
1.2. Introducción
Los métodos potenciométricos se basan en la medida del potencial eléctrico de un electrodo sumergido en una disolución. A partir de este potencial se puede establecer la
concentración de una especie electroactiva presente en la disolución.
1
Análisis nstrumental. Manual de laboratorio
Para llevar a cabo esta media es necesario disponer de:
1. Un potenciómetro, aparato capaz de medir la diferencia de potencial entre dos
electrodos (fuerza electromotriz).
2. Electrodo de referencia, que genera un potencial fijo.
3. Electrodo indicador (selectivo), que genera un potencial variable en función de
la cantidad de la especie electroactiva.
En la mayoría de pH-metros (potenciómetros) se utiliza un electrodo combinado que es
un elemento que reúne el electrodo de referencia y el sensible a la concentración de H+
en una sola pieza. En la figura 1.1 se muestra una imagen de un electrodo de pH en el
interior de una disolución.
Figura 1.1. Electrodo de pH en el interior de una disolución
El seguimiento de la variación del pH en una valoración de neutralización en función
del volumen de añadido, permite visualizar los cambios bruscos de pH que pueden
darse en el punto de equivalencia. Estos cambios son mayores cuanto más fuerte son el
ácido y la base que participan, y son los que permite determinar el punto final, siendo
éste el punto de inflexión de la curva.
Así, en la valoración de un ácido monoprótico con una base fuerte se obtiene una curva
de valoración con un salto, caracterizado por un punto de inflexión. En la figura 1.2 se
muestra como ejemplo la variación del pH que se produce en la valoración del ácido
clorhídrico, con hidróxido sódico. Como se observa en la gráfica, existe un cambio
brusco que nos permite determinar el punto de final de la valoración.
2
potenciométrica de un ácido poliprótico
Figura 1.2. Curva de valoración del ácido clorhídrico con NaOH. El punto de inflexión de la curva se
corresponde con el punto final de la valoración.
Sin embargo, en la valoración de un ácido poliprótico o de una mezcla de ácidos, la
gráfica mostrará generalmente varios saltos, más o menos definidos en función de los
valores de pKa. Generalmente se necesita una diferencia de al menos cuatro unidades
de pKa para obtener dos curvas netamente definidas en la valoración sucesiva de dos
ácidos. La especie que se neutraliza en primer lugar es la más fuerte, y genera el cambio más brusco. De hecho, si el ácido es muy débil el salto es tan pequeño que no es
posible usarlo para determinar el punto de final.
En nuestro caso queremos determinar la concentración del ácido fosfórico (H3PO4) en
una muestra mediante la adición de un patrón de hidróxido sódico (NaOH). En esta
valoración se producen sucesivas neutralizaciones:
1º Neutralización: H3PO4 + 1 NaOH → NaH2PO4 + H2O
2º Neutralización: NaH2PO4 + 1 NaOH → Na2HPO4 + H2O
3º Neutralización: Na2HPO4 + 1 NaOH → Na3PO4 + H2O
3
Análisis nstrumental. Manual de laboratorio
Conforme se va añadiendo lentamente NaOH a la disolución que contiene el ácido, la
base va neutralizando paulatinamente cada uno de sus protones. Si se mide el pH tras
cada adición de hidróxido y se representa la variación del pH con el volumen de valorante añadido, se obtiene la gráfica que se muestra en la figura 1.3.
Figura 1.3. Curva de valoración del ácido fosfórico con NaOH. Los dos puntos de inflexión
que aparecen corresponden a la neutralización del primer y del segundo protón del ácido
Puesto que el ácido fosfórico (H3PO4) es un ácido triprótico (pKa1= 2,12; pKa2= 7,22;
pKa3= 12,30) esperaríamos que la curva de valoración tuviera tres saltos, correspondientes a la neutralización de cada uno de los protones. Sin embargo, en la figura 1.3
sólo aparecen 2 saltos en la curva de pH frente al volumen añadido del valorante, que
además están bien diferenciados. Estos dos saltos corresponden a la neutralización del
H3PO4 y del H2PO4-, cuyos valores de pKa1 y pKa2 difieren en más de cinco unidades.
Sin embargo, el tercer salto, que correspondería a la neutralización del monohidrógeno
fosfato (HPO42-), no se observa porque se trata de un ácido demasiado débil (Ka3 = 4.8·
10-13).
4
potenciométrica de un ácido poliprótico
Por otro lado, tal como se observa en la figura 1.3, a partir de los puntos de inflexión de
las curvas determinamos los volúmenes finales de la neutralización del primer y segundo protón del fosfórico, V NaOH,1ºH+ y V NaOH,2ºH+, respectivamente.
Por otra parte, el volumen de patrón que hace falta para neutralizar el primer protón
(VNaOH,1ºH+ ) debe ser exactamente igual al necesario para el segundo (VNaOH,2ºH+), de
modo que el volumen de NaOH necesario para neutralizar un solo protón (VH+) se
obtiene a partir de la media de volúmenes experimentales:
ܸே௔ைுǡଵ͑ு శ ൅ ܸே௔ைுǡଶ͑ு శ
ʹ
donde VNaOH,1ºH+ es el volumen de NaOH del primer punto de inflexión y VNaOH,2ºH+ es
el volumen consumido entre el 1º y 2º salto.
ܸு శ ൌ
Si queremos conocer el volumen de NaOH necesario para la neutralización completa
del ácido, H3PO4:
H3PO4 + 3 NaOH
→ Na3PO4 + 3 H2O
Vemos que, puesto que el ácido fosfórico es un ácido triprótico, el volumen de NaOH
necesario para neutralizar el ácido fosfórico es el triple del necesario para un solo protón:
ܸே௔ைுǡଵ͑ு శ ൅ ܸே௔ைுǡଶ͑ு శ
൰
ܸே௔ைு ൌ ͵ ൉ ܸு శ ൌ ͵ ൬
ʹ
Además, como en toda valoración, en el punto de equivalencia se cumple que:
݊͑݁‫ ݁ݏܾܽݏ݁ݐ݈݊݁ܽݒ݅ݑݍ‬ൌ ݊͑݁‫݋݀݅ܿžݏ݁ݐ݈݊݁ܽݒ݅ݑݍ‬
Por tanto, la normalidad (N) de ácido fosfórico será:
ܸே௔ைு ൉ ܰே௔ைு ൌ ܰ௖௜ௗ௢ ൉ ܸ௖௜ௗ௢
ሺ͵ܸு శ ሻ ൉ ܰே௔ைு ൌ ܰ௖௜ௗ௢ ൉ ܸ௖௜ௗ௢
donde VÁcido es el volumen de muestra y NNaOH la concentración de NaOH (equivalentes/L) y NÁcido la concentración de ácido fosfórico (equivalentes/L).
1.3. Material
Para la realización de la pontenciometría se necesita los siguientes materiales y reactivos:
x
pH-metro (calibrado)
x
Pipeta 10 mL aforada
x
Bureta 50 mL
5
Análisis Instrumental. Manual de laboratorio
x
Vaso de 250 mL de forma alta. La parte sensible del electrodo ha de estar
siempre cubierta durante la experiencia (ver figura 1.1).
x
Agitador magnético e imán.
1.4. Reactivos
x
Muestra disolución de ácido fosfórico.
x
Disolución de NaOH 0,10 N de concentración exactamente conocida, valorada
con hidrogenoftalato de potasio. Guardar la disolución en una botella de plástico.
1.5. Procedimiento experimental
Poner 10 mL de la muestra de ácido en un vaso de precipitados e introducir el imán.
Una vez preparada la bureta con NaOH, situarla encima del vaso (ver figura 1.4). A
continuación, introducir el electrodo del pH (previamente calibrado) en el vaso de precipitados y añadir agua destilada hasta que el nivel cubra convenientemente la parte
sensible del electrodo de pH (figura 1.1). Finalmente, poner en funcionamiento el agitador para asegurar la homogeneidad de la composición de la disolución a lo largo del
experimento.
Figura 1.4. Montaje de la práctica. La disolución problema se pone en el vaso de precipitados; el
patrón se pone en la bureta.
Con el agitador funcionando, medir el pH inicial, e ir añadiendo volúmenes pequeños
de la disolución de NaOH situada en la bureta, e ir anotando el pH resultante. Los volúmenes que se añaden deben ser especialmente pequeños en las zonas de cambios
6
potenciométrica de un ácido poliprótico
bruscos, de modo que después se pueda dibujar la curva en esta zona de interés con
exactitud suficiente. El grado de agitación puede modificar algo la lectura, de modo
que debe mantenerse constante durante toda la valoración.
La disolución de NaOH no debe estar en la bureta más tiempo del necesario ya que el
compuesto ataca el vidrio de la bureta estropeando el material y variando su concentración.
Este proceso se debe realizar al menos dos veces. En la primera valoración se localizan
las zonas de cambios bruscos, y en la/s siguiente/s, se realizan adiciones más frecuentes
(por ejemplo 0,1 mL) alrededor de la zona donde se prevé que se produzcan los saltos.
Esto nos permitirá dibujar estos saltos con el detalle necesario y determinar, con exactitud los volúmenes de neutralización.
Anotar el volumen de NaOH añadido y el pH obtenido en una tabla
Una vez obtenida las tablas de valores, se representa la curva [pH frente a VNaOH añadido)] correspondiente a la serie de datos completa. En las zonas de los saltos se localizan
los puntos de inflexión (cambio de la curvatura de la curva), lo que permite determinar
los volúmenes de neutralización del primer y del segundo protón: V NaOH,1ºH+,
V NaOH,2ºH+, respectivamente.
1.6. Cuestiones y resultados
1. En primer lugar, has de anotar en tu libreta de laboratorio los resultados experimentales de las dos valoraciones en tablas similares a la tabla 1.1, en la que pongas el volumen de valorante añadido y el pH medido en cada caso.
Tabla 1.1. Ejemplo de tabla para la toma de los datos experimentales
Volumen
NaOH (mL)
pH
0
0,5
7
Análisis Instrumental. Manual de laboratorio
2. Representar los datos experimentales de la segunda experiencia para obtener la
curva de valoración: pH frente a VNaOH añadido. Realizar la gráfica con cuadricula milimetrada y tamaño A4, o con una hoja de cálculo siempre que se asegure suficiente exactitud. Estimar a partir de los puntos de inflexión los volúmenes de neutralización. Hay que considerar que la exactitud del resultado
depende tanto de que se realicen suficientes medidas para caracterizar cada
salto, como de que en la gráfica se puedan localizar con exactitud los puntos
de inflexión, y si la gráfica es pequeña, esto no es posible.
3. Calcular la normalidad (N) y la molaridad (M) del ácido fosfórico con los volúmenes obtenidos.
4. Dibujar en cuadricula milimetrada, de forma aproximada, cómo sería la curva
correspondiente a un ácido triprótico cuyas constantes fuesen:
Ka1 = 10-3, Ka2 = 10-4 y Ka3 = 10-9. ¿Se diferencian los tres saltos?
Suponer que el valorante es una disolución de NaOH; tener en cuenta lo que
ha ocurrido en la valoración del ácido fosfórico, pero considerar los valores
de las Ka del ejemplo.
8
Capítulo 2
Capítulo 2
Determinación
conductimétrica de una
mezcla de ácidos
Objetivos
Determinar la concentración de una mezcla problema de un ácido débil y otro fuerte
(CH3COOH y HCl) mediante una valoración conductimétrica con una base fuerte como valorante.
Apreciar las ventajas e inconvenientes que presenta la determinación del punto final de
una valoración mediante un conductímetro.
2..Introducción
La conductividad de una disolución o sustancia es la medida de su capacidad para dejar
pasar la corriente eléctrica a su través; y su unidad es el sistema internacional es el
siemens por metro (S/m). Su valor depende de la naturaleza y concentración de los
electrolitos presentes en la disolución; esta propiedad también variar con la temperatura. En la tabla 2.1 se muestra la conductividad específica molar de algunos de los iones
más habituales. En ella se ve que a igual concentración, la conductividad de cada ion es
9
Análisis nstrumental. Manual de laboratorio
diferente. Por lo tanto, es posible relacionar la conductividad con la concentración de
iones presentes en una disolución.
Tabla 2.1. Conductividad molar específica (λ, S cm2 mol-1) para distintos iones a 25ºC
Catión
λ+, S cm2 mol-1
Anión
λ+, S cm2 mol-1
H+
349,6
OH-
199,1
+
-
Na
50,1
Cl
76,4
+
73,5
CH3COO-
40,9
K
Una valoración conductimétrica implica la medida de la conductividad de la disolución
que contiene la muestra a lo largo de sucesivas adiciones de reactivo.
Aunque se trate de una técnica que se emplea de forma habitual en las valoraciones
ácido-base, su mayor inconveniente es el número limitado de sistemas químicos a los
que se puede aplicar la técnica Por otra parte, una de las ventajas de esta técnica reside
en que pueden valorarse disoluciones muy diluidas y ácidos o bases muy débiles, que
no pueden ser determinados con indicadores químicos. Otra ventaja es que permite la
valoración de disoluciones coloreadas.
Así por ejemplo, en la valoración de un ácido fuerte, los hidrogeniones libres (H3O)
reaccionan con los hidroxilos (OH-) para dar agua:
H3O+ + OH- → 2 H2O
Por otro lado, en la valoración de un ácido débil, el ácido sin disociar (AH) reacciona
con los hidroxilos (OH-) para dar agua y el anión A- (la base conjugada del ácido débil):
HA + OH- → H2O + APor tanto, durante la valoración de un ácido con una base se produce o bien la desaparición de protones (H3O+) o la aparición del ion procedente del ácido (A-). Estos cambios van provocando la variación en la conductividad de la disolución a medida que la
neutralización avanza; esta variación es más o menos acusada según se trate de un ácido fuerte o débil.
Tanto en la valoración de un ácido fuerte, como en la valoración de un ácido débil, una
vez que se ha consumido todo el ácido presente en la disolución, la base añadida provocará un aumento de la conductividad en la disolución como consecuencia de la aparición de iones en la misma:
NaOH → Na+ + OH-
10
conducimétrica de una mezcla de ácidos
El punto final de la valoración se determina a partir de la representación de la conductividad en función del volumen de patrón añadido. La forma de esta representación
depende del sistema químico que se investigue; no obstante, están caracterizadas por
segmentos rectilíneos con pendientes desiguales a ambos lados del punto de equivalencia. El punto final de la valoración se corresponde con el punto de corte o intersección
de dichos segmentos rectilíneos.
En la figura 2.1 se muestra un ejemplo de la valoración de un ácido fuerte con NaOH,
cuyo punto final se corresponde con el punto de corte o intersección de las dos rectas
representadas (VNaOH). Antes del punto final se observa que la conductividad ha ido
disminuyendo, como consecuencia de la desaparición de los iones H3O+, como se ha
comentado anteriormente. El aumento de la conductividad después del punto final
viene determinado por la aparición de iones Na+ y OH- en la disolución:
Figura 2.1. Curva de valoración de un ácido fuerte con NaOH. El punto final de la volumetría se
corresponde con el punto de intersección de las dos rectas.
Si se realiza la valoración con NaOH de una disolución que contiene una mezcla de un
ácido fuerte y un ácido débil, y se representa la variación de la conductividad a lo largo
del proceso, se obtiene la gráfica que aparece en la figura 2.2. El orden de neutralización en cualquier valoración va siempre desde la especie más fuerte a la más débil. EN
primer lugar se observa una disminución de la conductividad debido a la neutralización
del ácido fuerte. Después podemos ver cómo la conductividad aumenta lentamente
durante la neutralización del ácido débil. El último tramo, cuando ya no hay ácido en la
disolución y sólo estamos añadiendo el NaOH, se produce un incremento notable la
conductividad.
11
Análisis nstrumental. Manual de laboratorio
También se observa en la figura 2.2 que los puntos alejados a cada intersección siguen
una tendencia lineal. Sin embargo, los puntos próximos a los puntos de corte no la
siguen. Por ello, sólo se tienen en cuenta para la obtención de las rectas los puntos
alejados de las zonas de corte.
El punto de intersección de las dos primeras rectas nos permiten determinar el punto
final de la primera neutralización (VNaOH,1) y el punto de intersección de la 2º y la 3º
recta el de la segunda neutralización (VNaOH,2).
Figura 2.2. Variación de la conductividad en la valoración con NaOH de una muestra que contiene
un mezcla de un ácido fuerte y un ácido débil.
Como se ha comentado anteriormente, el orden de neutralización en cualquier valoración va siempre desde la especie más fuerte a la más débil. Tenemos una mezcla de un
ácido fuerte y un ácido débil, por tanto, tendremos que determinar el volumen de dos
puntos de finales: el del ácido fuerte (VNaOH,1 ) y el del ácido débil (VNaOH,2).
En la gráfica aparecerán tres segmentos rectilíneos con pendientes desiguales que se
cortarán en dos puntos, que se corresponden con los volúmenes de los dos puntos finales (figura 2.2).
Para el ácido que primero se valora, el ácido fuerte, tenemos que:
݊͑݁‫ ݋݀݅ܿžݏ݁ݐ݈݊݁ܽݒ݅ݑݍ‬ൌ ݊͑݁‫݁ݏܾܽݏ݁ݐ݈݊݁ܽݒ݅ݑݍ‬
12
conducimétrica de una mezcla de ácidos
ܸž௖௜ௗ௢ଵ ൉ ܰž௖௜ௗ௢ଵ ൌ ܰே௔ைு ൉ ܸே௔ைு
siendo Nácido 1 la normalidad del ácido fuerte Vácido 1 el volumen de muestra pipetado
(no confundir con el volumen en el vaso de precipitados), NNaOH la normalidad del
patrón y VNaOH, 1 el volumen de patrón necesario para alcanzar la primera neutralización que localizamos en la gráfica.
Para calcular la concentración del ácido débil se obtiene una expresión similar a la
anterior, en la que se debe hacer uso del volumen de patrón necesario para la valoración de éste ácido (VNaOH, 2):
ܸž௖௜ௗ௢ଶ ൉ ܰž௖௜ௗ௢ଶ ൌ ܰே௔ைு ൉ ܸே௔ைு
2..Material
x
Pipeta de 10 mL aforada
x
Probeta de 100 mL
x
Soporte con pinza
x
Bureta
x
Agitador magnético con imán
x
Vaso de 250 mL (forma alta)
x
Conductímetro
2..Reactivos
x
Muestra: una mezcla de ácidos (HCl y CH3COOH) cuya concentración queremos conocer.
x
Una disolución de hidróxido sódico 0,10 N (valorado con hidrogenoftalato de
potasio). Guardar la disolución en botella de plástico.
2..Procedimiento experimental
Pipetear 10 mL de la disolución de muestra en un vaso de precipitados y añadir 90 mL
de agua (es suficiente aproximación medir el volumen de agua con una probeta).
La disolución se valora conductimétricamente con una disolución de NaOH 0,10 N,
que se pone en la bureta. La temperatura debe permanecer constante en el transcurso de
la valoración, ya que la conductividad depende mucho de ésta.
El montaje es similar al de la valoración potenciométrica, pero usando el conductimetro (ver figura 2.3).
13
Análisis Instrumental. Manual de laboratorio
Figura 2.3. Montaje de la práctica. La disolución problema se pone en el vaso de precipitados; el
patrón se pone en la bureta.
Introducir la celda conductimétrica en la disolución de modo que quede sumergida la
parte sensible, e ir adicionando volúmenes de NaOH de 0,5 mL, agitando la disolución.
Tras la adición de cada volumen de patrón, esperar el tiempo necesario para que se
estabilice la lectura antes de anotarla. La agitación se puede mantener constante a lo
largo de todo el proceso, o se puede detener tras cada adición, medir la conductividad y
volverla a poner en marcha antes de la siguiente adición.
La disolución de NaOH no debe estar en la bureta más tiempo del necesario ya que el
NaOH ataca el vidrio de la bureta estropeando el material y variando su concentración.
La volumetría se ha de realizar, como mínimo, por duplicado.
En esta práctica no es imprescindible calibrar el conductímetro.
Anotar el volumen de NaOH añadido y la conductividad medida en una tabla
Como en todas las determinaciones, es recomendable repetir el experimento un
mínimo de tres veces
14
Valoración conducimétrica de una mezcla de ácidos
2. .Corrección de la conductividad por el efecto de la dilución
A lo largo de la valoración, la variación en la conductividad producida por la modificación de los iones presentes en la disolución en cada momento, fruto de la reacción de
neutralización, se ve encubierta por otro fenómeno paralelo: la dilución de los iones
como consecuencia del aumento del volumen que conlleva el proceso de adición del
patrón, proceso que por sí solo hace disminuir la conductividad. Por lo tanto, para
anu-lar este efecto en la conductividad, es necesario corregir las medidas de la
conductividad antes de realizar la gráfica que nos permita determinar el punto final
de la valora-ción.
Para corregir la conductivida, lo que se hace es referir todas las conductividades al
valor que tendrían si se midiesen en un mismo volumen, el que hay al iniciar la valoración. La corrección se realiza de la misma forma que se actuaría si una disolución de
concentración inicial (M0) y volumen inicial (V0) se fuera diluyendo por adiciones de
un volumen (V) de agua y quisiéramos calcular en todo momento la concentración
inicial (M0) a partir de la concentración medida tras cada adición de volumen, V.
Recordad que en toda dilución se cumple lo siguiente:
‫ܯ‬଴ ൉ ܸ଴ ൌ ‫ܯ‬௥௘௔௟ ൉ ܸ௥௘௔௟ ‫ܯ‬଴ ൉ ܸ଴ ൌ ‫ܯ‬௥௘௔௟ ൉ ሺܸ଴ ൅ ܸሻ
‫ܯ‬଴ ൌ
‫ܯ‬௥௘௔௟ ൉ ሺܸ଴ ൅ ሻ
ܸ଴ ൅ ൌ ‫ܯ‬௥௘௔௟ ൉
ܸ଴
ܸ଴
El factor (V0+V)/V0 se denomina factor de dilución.
Por tanto, la conductividad corregida (Ccorr) se obtiene teniendo en cuenta la conductividad leída y el factor de dilución:
‫ܥ‬௖௢௥௥ ൌ ‫ܥ‬௟௘Àௗ௔ ൉
ܸ଴ ൅ ܸ଴
donde V0 = volumen inicial (100 mL en la experiencia) y V = volumen de NaOH añadido. Hay que tener presente que el valor de V es variable a lo largo del proceso.
Una vez acabada la adición de valorante, con los datos obtenidos, representar una gráfica Ccorr v.s. VNaOH en papel milimetrado o en una hoja de cálculo para cada valoración.
15
Análisis nstrumental. Manual de laboratorio
Como en todas las determinaciones, es recomendable repetir el experimento un mínimo
de tres veces
2. .Cuestiones y resultados
1. Anotar los resultados experimentales de cada una de las conductimetrías realizadas en tablas similares a la tabla 2.1, en la que pongas el volumen de valorante
añadido, la conductividad leía tras cada adición, así como el factor de dilución y
la conductividad corregida que corresponda.
Tabla 2.2. Ejemplo de tabla para la toma de los datos experimentales
Volumen
NaOH (mL)
Conductividad
leída (mS)
Factor de
dilución
Conductividad
Corregida (mS)
2. Representar en papel milimetrado la conductividad, con la corrección de volumen,
frente al volumen de reactivo añadido. Hacer una gráfica para cada valoración.
3. Determinar a partir de estas representaciones los volúmenes de neutralización y, a
continuación, las concentraciones de HCl y CH3COOH en moles/L y en g/100 mL
de la muestra.
4. En esta experiencia no se ha calibrado el conductímetro. ¿Por qué no ha sido necesario? ¿Cómo se calibraría?
16
Capítulo 3
Capítulo 3
Determinación de la
humedad de un suelo
3.1. Objetivos
Valorar la cantidad de agua de un suelo y trabajar con una técnica de análisis cuantitativo, la gravimetría.
3.2. Introducción
El contenido en agua de un producto se define convencionalmente por la pérdida de
masa que experimenta en condiciones determinadas. En este caso se aplica a una muestra de suelo, introduciéndolo en estufa a 105 ± 1 ºC, hasta peso constante.
3.3. Material
x
Vaso de precipitados de 50 mL secado previamente
x
Balanza analítica
x
Espátula
17
Análisis nstrumental. Manual de laboratorio
x
Estufa a 105 ºC
x
Desecador
x
Pinzas
3.4. Procedimiento experimental
En una balanza analítica (0,1 mg) se pesa un vaso de precipitados pequeño que previamente se ha secado en estufa a 105 ºC y se ha dejado enfriar en un desecador. Es conveniente, para no variar su peso, no tocar directamente el vaso, sino ayudarse de unas
tenazas u otro medio.
Se pesa con exactitud una cantidad de muestra de suelo en torno a los 5 g, anotando el
peso exacto.
El vaso con la muestra se introduce en la estufa a una temperatura de 105 ºC durante 1
hora, al cabo de la cual se deja enfriar en el desecador y se pesa de nuevo (no se debe
pesar en caliente).
Debe operarse con rapidez mientras la muestra esté expuesta al ambiente del laboratorio para evitar la absorción de humedad.
Anotar el resultado. Volver a introducir el vaso con la muestra, en la estufa durante otra
hora, posteriormente, dejarla enfriar y pesarla de nuevo. Este proceso se ha de repetir
hasta que el peso obtenido sea el mismo en dos ocasiones consecutivas.
3.5. Cuestiones y resultados
1. Expresar el porcentaje (%) de humedad referido al suelo seco:
x
Peso inicial de la muestra (g) =
x
Peso del producto seco (g) =
x
% Humedad =
2. Qué función tiene el desecador? ¿Qué desecantes puede contener?
3. ¿Qué se entiende por técnica gravimétrica?
18
Capítulo 4
Capítulo 4
Introducción a los
métodos de análisis
instrumental
4.1. Introducción
Los métodos de análisis instrumental son métodos en los que se mide una propiedad de
la materia cuya magnitud está relacionada con el contenido de una sustancia en una
muestra, utilizando instrumentación específica.
Por tanto, es necesario encontrar la relación que existe entre la magnitud de la propiedad medida y la concentración (magnitud de la propiedad = f (concentración sustancia).
Esto se consigue frecuentemente realizando un calibrado, que se utiliza para convertir
la señal instrumental registrada en valores de concentración.
La realización de un calibrado comienza con la preparación de una serie de disoluciones de concentraciones conocidas (xi) a partir de una disolución patrón. El siguiente
paso es medir la señal correspondiente (yi) en el instrumento de medida, para obtener
así una tabla de valores (xi, yi).
El instrumento tiene que ajustarse inicialmente con una disolución que denominamos
‘blanco’. Esta disolución contiene todos los reactivos a excepción del analito o compuesto de interés y nos servirá para indicarle al instrumento de medida que la señal
debe ser cero en estas condiciones, y crecer sólo con la presencia del compuesto de
interés.
19
Análisis nstrumental. Manual de laboratorio
A continuación, con los datos obtenidos se procede de la siguiente manera:
x
Se hace una representación gráfica en papel milimetrado o en una hoja de
calculo: en abscisas se pone la señal (propiedad) y en ordenadas la concentración (ver figura 4.1)
x
Se ajustan los datos a una recta por mínimos cuadrados: cálculo matemático
que consiste en encontrar la ecuación de una recta (y = bx + a), tal que la suma
del cuadrado de las distancias de los distintos puntos a la recta sea la mínima
(el programa viene incluido en muchas calculadoras).
Si consideramos que algún valor experimental obtenido es anómalo, atendiendo a criterios gráficos o estadísticos, se puede rechazar, excluyéndolo del
cálculo de la recta (figura 4.1).
x
Se obtiene la concentración en la muestra, a partir de la señal obtenida para esta disolución, mediante el uso de la gráfica o la ecuación ajustada (figura 4.1).
Figura 4.1. Representación de unos datos experimentales en unos ejes x-y. En la gráfica, el dato
señalado es un valor experimental anómalo que no se ha tenido en cuenta en el ajuste de la recta.
Cuando se realice un calibrado hay que tener en cuenta que cuanto más elevada sea la
pendiente (b), más exactitud tendremos en la medida, ya que lecturas de concentraciones cercanas van a ser más fácilmente diferenciables entre sí.
20
Introducción a los métodos de análisis instrumental
En cuanto a la ordenada en el origen (a), la condición de a = 0 es una condición ideal,
habitualmente se obtiene un valor de az0, aunque este valor sea normalmente muy
pequeño. Un valor de ‘a’ elevado implica que hay una señal que se obtiene incluso a
concentración "0". Esta señal puede atribuirse a señales eléctricas que no se han corregido o a blancos inadecuados, que no corresponden exactamente con la realidad. Además, valores elevados de la ordenada en le origen implican que las concentraciones
mínimas detectables sean más altas.
Cada método tiene un intervalo de concentración apropiado en el que se cumple la
ecuación de la recta denominado ‘intervalo útil’. Es importante conocerlo para trabajar
dentro de él. Además, las muestras han de estar diluidas de tal manera que su medida
que quede dentro de dicho intervalo.
Por último, hay que considerar el sentido que tiene la realización de los calibrados con
distintas disoluciones de concentración conocida. En principio, sería suficiente un solo
punto del calibrado si se cumpliesen las dos premisas siguientes: que la relación entre
la propiedad que se mide y la concentración sea lineal para cualquier valor de la concentración, y que no existan errores indeterminados. Lamentablemente esto no es así, y
por ello es necesario, en primer lugar, establecer un intervalo de concentración en el
que se cumpla la linealidad de la relación (intervalo útil) y, en segundo lugar, aceptar
que todos los puntos del calibrado están afectados con la misma probabilidad de error
indeterminado, dicho de otro modo, que a priori no hay un punto más exacto que otro,
incluido el ajuste del blanco (concentración cero). Es decir, necesitamos usar distintas
disoluciones de patrón para poder establecer el intervalo en el que se cumple la relación
de linealidad y para poder compensar los errores indeterminados que conlleva la medida de cualquier propiedad. El calibrado realizado en estas condiciones es más riguroso
que el que se pueda realizar con un solo patrón.
4.2. Ajuste de los puntos experimentales a una recta por mínimos cuadrados
De forma resumida, se explica a continuación una forma de realizar el ajuste por mínimos cuadrados, así como la obtención de las desviaciones estándar de distintos parámetros relacionados. Información complementaría sobre el uso de una hoja de cálculo
puede consultarse en el apéndice 3 del libro.
Por conveniencia, se definen šതǡ ›തǡSxx, Syy y Sxy tal como sigue:
σ ›୧
σ š୧
‡ ›ത ൌ


siendo “n” el número de disoluciones del calibrado utilizadas en el ajuste.
šത ൌ
୶୶ ൌ ෍ሺš୧ െ šതሻଶ ǡ୷୷ ൌ ෍ሺ›୧ െ ›തሻଶ ǡ
୶୷ ൌ ෍ሺš୧ െ šതሻ ൉ ሺ›୧ െ ›തሻ
21
Análisis Instrumental. Manual de laboratorio
A partir de estos parámetros es posible calcular:
1. La pendiente de la ecuación de la recta, b:
„ൌ
୶୷
୶୶
2. La ordenada en el origen, a:
ƒ ൌ ›ത െ „šത
3. El coeficiente de regresión, R, parámetro que permite valorar la bondad del
ajuste:
୶୷
ൌ
ඥ୶୶ ൉ ୷୷
4. La desviación estándar de la regresión, ‫ݏ‬௥ . La desviación estándar de la regresión está basada en las desviaciones de los puntos individuales respecto a la línea propuesta.
୷୷ െ „ ଶ ൉ ୶୶
•୰ ൌ ඨ
െʹ
5. La desviación estándar de la pendiente, ‫ݏ‬௕ :
•୰ଶ
•ୠ ൌ ඨ
୶୶
6. La desviación estándar para la concentración de una muestra (•ୡ) obtenida a
partir de la curva de calibración.
La ecuación de la recta obtenida (y = bx + a) se utiliza para determinar la concentración de una muestra (šഥୡ.) al sustituir la media de los valores de la señal
obtenidos para la muestra (›ഥୡ ) en dicha ecuación.
La desviación estándar de este valor de concentración se puede determinar
mediante esta ecuación:
‫ݏ‬௖ ൌ
22
‫ݏ‬௥ ͳ ͳ ሺ‫ݕ‬ത௖ െ ‫ݕ‬തሻ
ඨ ൅ ൅
ܾ ݉ ݊ ܾଶ ൉ ܵ௫௫
Introducción a los métodos de análisis instrumental
Esta ecuación permite el cálculo de la desviación estándar de la concentración
തതത௖ obtenida de la media ‘‫ݕ‬ഥ௖ ’ de una serie de “m” medidas repetidas, a partir
‫ݔ‬
de una curva de calibración obtenida con “n” puntos. (Recordar que “‫ݕ‬ഥ௖ ” es el
valor medio de y” para los “n” datos de calibración). De forma, que el resultado final de la concentración se puede expresar así
šഥୡ ± sc
Existe una alternativa más sencilla para calcular la desviación estándar de la
muestra (sc), que puede utilizarse si se miden al menos tres réplicas de una
muestra, que suele lo más usual. Para ello, se sustituyen los valores de y obtenidos para cada réplica (y1; y2; y3; …) en la recta de calibrado, de forma que se
obtienen las concentraciones correspondientes para cada réplica (x1; x2; x3; …).
തതത)
y su desviaDespués, se calcula el valor medio de las concentraciones (‫ݔ‬
௖
ción estándar (sc). Sin embargo, esta alternativa requiere la repetición de la determinación, lo que no siempre es posible.
Si lo que se ha medido no es la muestra, sino una dilución de la misma, es necesario
calcular la desviación estándar de la muestra. En este caso, la desviación estándar se
obtiene como el producto de la desviación de la disolución medida por el factor de
dilución:
୫ୣୢ୧ୢୟ ൉ ୫ୣୢ୧ୢୟ ൌ ୫୳ୣୱ୲୰ୟ ൉ ୫୳ୣୱ୲୰ୟ
୫ୣୢ୧ୢୟ
୫୳ୣୱ୲୰ୟ ൌ ୫ୣୢ୧ୢୟ ൈ ൬
൰
୫୳ୣୱ୲୰ୟ
4.3. Métodos de absorción de radiación UV-visible
Los métodos de absorción de radiación UV-visible se basan en la Ley de Beer:
ൌɂ൉Ž൉
donde A es la absorbancia, ɛ la absortividad molar, l la longitud de paso del haz y c la
concentración (en mol/L).
La absortividad es un parámetro característico para cada sustancia a cada longitud de
onda. Por lo tanto, si se mantienen las condiciones de lectura (cubeta y longitud de
onda), los valores de ‘ɛ’ y ‘l’ son constantes, por lo que la ley de Beer se trasforma en
la ecuación de una recta cuya pendiente (b) es ‘ɛ·l’ , la concentración es el valor independiente (x) y la absorbancia el valor dependiente (y):
A = b·c
Es conveniente trabajar con valores de absorbancias no muy extremas, entre 0,2 y 0,8,
para cometer el menor error al determinar la concentración de analito en la muestra. En
23
Análisis nstrumental. Manual de laboratorio
la figura 4.2 se muestra un ejemplo de ajuste de los datos experimentales de absorbancia de los patrones obtenidos en la determinación de hierro mediante espectrofotometría de absorción. Y, como se ha comentado anteriormente, se ha de elegir diluciones
de la muestra cuya señal de absorbancia quede dentro del intervalo útil dinámico.
Figura 4.2. Ejemplo de un ajuste por mínimos cuadrados de los datos experimentales en una espectrofotometría realizada para la determinación de hierro en una muestra.
Si nos fijamos en la figura 4.2, la ecuación de la recta tiene un valor de ordenada en el
origen (a) que no es cero, como se podría esperar teniendo en cuenta la ley de Beer. Si
bien, desde un punto de vista teórico el valor de la ordenada en el origen tendría que ser
cero. Sin embargo, en los métodos habituales de medida, por cuestiones estadísticas, la
ordenada en el origen suele tener un valor pequeño, aunque no sea cero. Por lo tanto,
la recta de calibrado en una espectrofotometría de absorción debería escribirse así:
› ൌ „š ൅ ƒ ՜ ൌ „š ൅ ƒ
24
Capítulo 5
Capítulo 5
Determinación
espectrofotométrica de
nitritos en agua
5.1. Objetivos
Aplicar la colorimetría para la determinación de nitritos en una muestra de agua realizando un calibrado para su determinación.
5.2. Introducción
La colorimetría es una espectrofotometría en la que se mide la absorbancia en la zona
del visible, por lo que es necesario que los compuestos a determinar tengan color. Por
ello, puesto que los nitritos son incoloros, para poder determinarlos hay que transformarlos en un compuesto coloreado.
El método utilizado para la obtención de color es una modificación del propuesto por
Griess. Básicamente consiste en hacer reaccionar el NO2- (incoloro) presente en una
muestra de agua con la sulfanilamida en medio ácido, produciéndose un diazocompuesto que, posteriormente, mediante una reacción de copulación con la N(1-naftil)etilendiamina dará un compuesto coloreado.
Los niveles de nitrito que se encuentran en el agua varían mucho según la procedencia
de ésta.
25
Análisis nstrumental. Manual de laboratorio
En el agua potable la legalidad, marca la ausencia de este compuesto. Sin embargo, en
las aguas vertidas por industrias podemos encontrar niveles muy variados, incluso superiores a 20 mg/L.
El nitrito es un compuesto que se descompone con facilidad. Por ello, las muestras se
han de conservar en nevera y se les suelen añadir aditivos, como el HgCl2, para evitar
su degradación. Además, cuando llega la muestra al laboratorio, su análisis se ha de
realizar lo antes posible.
5.3. Material
x
6 Matraces aforados de 50 mL
x
1 Matraces aforados de 50 mL
x
Pipetas
x
Vasos de precipitados
x
Espectrofotómetro
x
Balanza analítica
5.4. Reactivos
26
x
Disolución patrón de nitrito (NO2-) 100 mg/L. Se parte de NaNO2 (Mr 69,00)
patrón, obtenido al secar la sal de calidad analítica durante 1 h a 110 ºC en la
estufa. Conservar en nevera.
x
Disolución de trabajo. Preparar 100 mL de disolución de 5 mg/L de nitrito.
partir de la disolución patrón de 100 mg/L.. No conservar esta disolución para
los siguientes días.
x
Disolución de Sulfanilamida. Pesar 5 g de sulfanilamida, añadirle 50 mL de
HCl y aforan a 500 mL con agua destilada. Se debe desechar cuando adquiere
color, normalmente tras varios meses.
x
Disolución de N(1-naftil)-etilendiamina. Pesar 0,5 g del reactivo y llevarlo a
500 mL con agua destilada. Este reactivo se debe conservar en nevera y reemplazar cuando cambia de color.
Determinación espectrofotométrica de nitritos 5.5. Procedimiento experimental
5.5.1. Construcción de la curva de calibrado
Preparar la disolución de trabajo según se indica en el apartado de reactivos.
Poste-riormente, pipetear distintas cantidades de ésta disolución de trabajo (0, 1, 3, 5,
7 mL) en sendos aforados de 50 mL. No completar todavía el volumen con agua.
5.5.2. Preparación de la muestra
La muestra, según su procedencia, necesitará una dilución distinta. Así, por ejemplo, si
es agua del río o mar, no será necesaria su dilución, mientras que en el caso de vertidos
habrá que probar distintas diluciones. Suponiendo este último caso, comenzar
tomando 10 mL de la muestra y ponerlos en un aforado de 50 mL. No completar
todavía el vo-lumen con agua.
Se han de realizar como mínimo tres réplicas de la dilución de la muestra.
5.5.3. Desarrollo del color
Es importante añadir los reactivos para el desarrollo del color a las disoluciones: calibrado y diluciones de la muestra.
En primer lugar, añadir 1 mL de la solución de sulfanilamida en todos los aforados, los
de la dilución de la muestra y los de la curva de calibrado, agitar y dejar reaccionar
entre 2 y 8 minutos.
Posteriormente, añadir 1 mL de la solución de N-(1-naftil)-etilendiamina en todos los
aforados. Aparecerá un color rojizo en aquello aforados en los que existan nitritos, es
decir, en todos los aforados menos en el blanco. Homogeneizar y deja reaccionar 10
minutos.
Por último, completar ahora el volumen de todos los aforados con agua.
5.5.4. Medida en el espectrofotómetro
Medir la absorbancia a 543 nm en el espectrofotómetro de todas las disoluciones: los
patrones y las diluciones de la muestra. Anotar las medidas en vuestro cuaderno de
laboratorio.
El color se mantiene estable unas 2 horas.
5.5.5. Tratamiento de datos
Representar los valores de absorbancia-concentración del calibrado en papel milimetrado o en una hoja de cálculo, y ajustarlos a una recta.
Calcular la concentración de nitritos en la muestra diluida a partir de la ecuación del
calibrado y su desviación estándar (ver capítulo 4).
27
Análisis nstrumental. Manual de laboratorio
Después, obtener la concentración de nitritos en el agua analizada y calcular su desviación estándar. Recordar, como se ha comentado en el capítulo 4, que para calcular la
desviación estándar de la muestra es necesario tener en cuenta el factor de dilución
tanto para calcular la concentración de la muestra como su desviación estándar:
୫ୣୢ୧ୢୟ ൈ ୫ୣୢ୧ୢୟ ൌ ୫୳ୣୱ୲୰ୟ ൈ ୫୳ୣୱ୲୰ୟ
୫ୣୢ୧ୢୟ
୫୳ୣୱ୲୰ୟ ൌ ୫ୣୢ୧ୢୟ ൈ ൬
൰
୫୳ୣୱ୲୰ୟ
Y el resultado se dará de la siguiente forma:
Cmuestra ± smuestra
5.6. Cuestiones y resultados
1. Antes de poder medir en el espectrofotómetro, hay que ajustarlo. Explica el procedimiento de ajuste.
2. Calcular la concentración de las disoluciones que forman el calibrado y anotar los
resultados experimentales en la siguiente tabla:
Volumen disolución
trabajo (mL)
[NO2-]
mg/L
Absorbancia
0,0
1,0
3,0
5,0
7,0
3. Construir la recta de calibrado, representar los puntos y ajustarlos por mínimos
cuadrados a la ecuación de una recta.
4. A partir del valor del coeficiente de regresión, comentar si realmente la relación
encontrada entre la concentración y la absorbancia es lineal
5. Calcular la desviación estándar de la pendiente (sb). Consultar la forma de realizarlo en el capítulo 4 (Introducción a los Métodos Instrumentales).
6. A partir de los datos de absorbancia obtenidos para la dilución de la muestra, y
utilizando la ecuación de la recta, calcular la concentración de nitritos (mg/L).
28
Determinación espectrofotométrica de nitritos 7. Calcular la desviación estándar de la concentración anterior por dos métodos: a
partir de los datos de la recta de calibrado y a partir de los distintos valores de
concentración obtenidos. (Consultar la forma de realizarlo en el capítulo 4 (Introducción a los Métodos Instrumentales).
8. Determinar la concentración de nitrito en el agua analizada teniendo en cuenta la
dilución realizada y calcular su correspondiente desviación estándar. Expresar los
resultados en mg/L de nitritos.
29
Capítulo 6
Capítulo 6
Parámetros de calidad
de un método
instrumental
6.1. Objetivos
Evaluar la calidad de un método de análisis mediante una serie de parámetros estadísticos.
Aprender a utilizar la turbidimetría, un tipo especial de espectrofotometría basada en la
medición de la cantidad de luz dispersada por las partículas que permanecen en suspensión.
Determinar el contenido de sulfatos (SO42-) en una muestra de agua mediante una turbidimetría.
6.2. Introducción
6.2.1. Turbidimetría
La turbidimetría es un tipo de espectrofotometría basada en la cantidad de luz dispersada por las partículas que permanecen en suspensión. Cuanto mayor sea la cantidad de
partículas que existan en disolución, menor cantidad de luz puede llegar al detector y,
aparentemente, es como si se la luz se absorbiera. Se puede utilizar cualquier espectrofotómetro UV-Visible y formalmente es como si se midiesen absorbancias.
31
Análisis nstrumental. Manual de laboratorio
El parámetro cuantitativo que usaremos es la ‘absorbancia’, aunque el fenómeno físico
que se está produciendo sea la ‘dispersión’ de la luz.,
Para la determinación de los sulfatos mediante esta técnica, el anión sulfato (SO42-) se
precipita con catión bario (Ba2+) en condiciones tales que se forman cristales de tamaño
uniforme de sulfato de bario (BaSO4) Estos cristales se mantienen en suspensión homogénea durante un periodo de tiempo lo suficientemente largo como para poder medir
la cantidad de luz que llega al detector.
El contenido de sulfatos de cada muestra se obtiene a partir de una curva de calibrado.
El contenido de sulfatos, como la mayoría de los parámetros en agua, puede tener valores muy diversos. Así, por ejemplo, para el agua potable se recomienda que el contenido no supere las 25 mg/L, pero se admiten hasta las 400 mg/L.
En esta técnica interfieren fundamentalmente el color y la turbidez que pueda tener la
muestra inicialmente. Sin embargo, la turbidez de la muestra puede eliminarse por
filtración o centrifugación, y la interferencia del color puede soslayarse utilizando como blanco la muestra coloreada.
6.2.2. Parámetros de calidad de un método
Los parámetros de calidad son criterios cuantitativos que pueden utilizarse para decidir
si un método instrumental concreto es o no adecuado para resolver un problema analítico, o para comparar distintos métodos.
Algunos de los criterios más empleados son los siguientes:
x
x
x
x
x
x
Precisión
Exactitud
Sensibilidad
Límite de detección
Límite de cuantificación
Desviación de la linealidad e intervalo útil
6.2.2.1 Precisión
En general entendemos que la precisión es una medida de la concordancia entre dos o
más valores experimentales obtenidos de forma idéntica y está íntimamente relacionada
con la presencia de errores indeterminados (o aleatorios).
Para caracterizar la reproducibilidad de un método de análisis, lo que se hace es evaluar
la precisión que se obtiene al aplicar el método a disoluciones patrón de distintas concentraciones que estén dentro del intervalo útil del método.
Describe la reproducibilidad de los datos experimentales y se puede expresar en términos de desviación estándar (s), de varianza (s2), o desviación estándar relativa (%DSR).
32
Parámetros de calidad de un método La desviación estándar es la raíz cuadrada del promedio de los cuadrados de las desviaciones de los datos respecto a su media:
s
¦ xx
2
i
n 1
donde xi son cada uno de los valores obtenidos para la medida de una concentración, x
es el valor medio y n es número de réplicas o veces que se ha repetido una medida.
La desviación estándar de las concentraciones calculadas a partir de un calibrado también se puede obtener con la ecuación ya presentada en el capítulo 4 (Introducción a
los métodos de análisis instrumentales):
sc
y y 2
sr 1 1
c2
·
b m n
b S xx
La varianza es el promedio de los cuadrados de las desviaciones de los datos respecto a
su media:
s
2
¦ xx
2
i
n 1
Y la desviación estándar relativa (DER) se calcula con la siguiente ecuación:
DER
s
·100
x
En nuestro caso, para determinar la reproducibilidad del método turbidimétrico, se van
a medir varias réplicas de un patrón y se determinará su desviación estándar relativa.
6.2.2.2 Exactitud
La exactitud de un método analítico se puede determinar con muestras patrón o por
comparación con un método patrón. En esta práctica se va a utilizar la primera opción.
En general, la exactitud se expresa en términos de error absoluto y error relativo:
El error absoluto (ୟ) se define así:
(a
x P
donde P es el valor de concentración verdadero y šത la media del valor de la concentración obtenido al aplicar el método de medida a varias réplicas (m) de una disolución
patrón.
33
Análisis nstrumental. Manual de laboratorio
Y el error elativo (Er) es:
(r
§ x P·
¸¸ u 100
¨¨
© P ¹
La exactitud se determina por comparación entre la concentración de la disolución
patrón (‘valor verdadero’) y la concentración obtenida al aplicar el método ensayado a
dicha disolución patrón. Cuanta mayor sea las diferencia entre el ‘valor real’ y el valor
obtenido, mayor será el error absoluto, el parámetro cuantitativo que se calcula. Esto
nos permite tener una indicación de la exactitud del método para los niveles de concentración estudiados.
En nuestro caso, se dispone de un patrón certificado de sulfato, con un valor de concentración conocido (valor verdadero, μ). Se realizarán varias réplicas de dicho patrón
(m réplicas) y se medirá su absorbancia en el espectrofotómetro. Finalmente, mediante
la recta de calibrado se obtendrá un valor concentración para cada réplica. Por tanto,
calculando el valor de concentración medio (šത௣௔௧௥×௡ ) se puede calcular el error absoluto y su error relativo.
Además, es posible establecer si un método se ve afectado de una fuente de error sistemático mediante el cálculo de un parámetro, la t de Student, y su comparación con el
valor de t tabulado para un determinado nivel de confianza.
El cálculo de la t de Student se realiza con la siguiente ecuación:
t
(a
m
sx
x patrónP
m
sx
donde ‘•୶’ es la desviación de la concentración media y ‘m’ el número de réplicas de
patrón.
Cuando el valor de t deducido de la ecuación anterior (tcalculado,) es mayor que el valor
de t tabulado (ttabulado) para un determinado nivel de probabilidad (normalmente 95%)
puede asegurarse que el método de análisis está afectado de error sistemático:
t calculado > t tabulado → existe error sistemático
Sin embargo, si el valor calculado es menor que el tabulado, no significa necesariamente que no exista error sistemático. Es posible que exista, pero que no se haya podido
poner en evidencia porque quede enmascarado por el error aleatorio.
34
Parámetros de calidad de un método Tabla 6.1. Valores de t-Student para varios grados de libertad y niveles de probabilidad
Grados de
libertad
(n-1)
Nivel de probabilidad
90%
95%
98%
99%
1
6,31
12,71
31,82
63,66
2
2,92
4,30
6,96
9,92
3
2,35
3,18
4,45
5,89
4
2,13
2,78
3,75
4,60
5
2,02
2,57
3,36
4,03
6
1,94
2,45
3,14
3,71
7
1,89
2,36
3,00
3,50
8
1,86
2,31
2,90
3,36
9
1,83
2,26
2,82
3,25
10
1,81
2,23
2,76
3,17
12
1,78
2,18
2,68
3,05
14
1,76
2,14
2,62
2,98
16
1,75
2,12
2,58
2,92
18
1,73
2,10
2,55
2,88
20
1,72
2,09
2,53
2,85
30
1,70
2,04
2,46
2,75
50
1,68
2,01
2,40
2,68
∞
1,64
1,96
2,33
2,58
6.2.2.3 Sensibilidad
Hace referencia a la capacidad de un método analítico para diferenciar concentraciones
próximas entre sí.
A menudo, en el lenguaje cotidiano, el término ‘método sensible’ se utiliza como sinónimo de límite de detección bajo. Sin embargo, los conceptos sensibilidad y límite de
detección son distintos. La sensibilidad de una técnica se puede definir a partir de la
pendiente de la recta de calibrado y, siempre que la representación sea lineal, puede ser
medida en cualquier punto de la recta. Por el contrario, el límite de detección de un
35
Análisis Instrumental. Manual de laboratorio
método se calcula con los datos de la recta en la zona de calibrado próximo al origen
(cero) y para ello se utiliza tanto la pendiente como la ordenada en el origen.
La sensibilidad de un método a veces se mide como la pendiente de calibrado, pero
esta indicación es poco robusta y existen otras propuestas para acercarse a este parámetro. En este sentido, se habla de sensibilidad normalizada (ϕ) como:
I
b
sb
donde b es la pendiente y ‫ݏ‬௕ la desviación de la pendiente.
6.2.2.4 Límites de detección y de cuantificación
El límite de detección de un compuesto (LD), al determinarlo mediante un método
instrumental, puede definirse como aquella concentración que proporciona una señal
instrumental significativamente diferente de la señal del ‘blanco’ o ’señal de fondo’.
El término “señal significativamente diferente” es ambiguo y permite interpretaciones
distintas.
Una forma bastante aceptada es considerar que la señal instrumental empieza a ser
diferente de la señal que proporciona el blanco (o fondo) (‫ݕ‬௅஽ es la señal mínima distinguible) cuando la señal es igual a la señal del blanco más tres veces la desviación
estándar del blanco:
y LD
y bl 3 s bl
donde ‫ݕ‬௕௟ es la señal del blanco y ‫ݏ‬௕௟ es la desviación estándar del blanco.
La concentración limite (LD) es la que corresponde a esta señal después de sustituirla
en la ecuación de la recta de calibrado. Es fácil demostrar que se puede calcular con la
siguiente ecuación.
LD
3 s bl
b
3 sr
b
donde ‘b’ es la pendiente de la recta, •ୠ୪ es la desviación estándar del blanco y •௥ es la
desviación estándar de la recta.
Así pues, para determinar el LD necesitamos, por un lado, conocer la pendiente de la
recta de calibrado (b), y por otro lado, la desviación estándar del blanco (•ୠ୪ ) o la desviación estándar de recta (•୰ ).(ver capítulo 4).
En ocasiones es posible medir varias veces el blanco y calcular la desviación que corresponde a esa señal (•ୠ୪ ). Sin embargo, otras veces no es posible seguir esa estrategia,
por ejemplo, si usamos el blanco para ajustar el cero del instrumento de medida, y en
esos casos hay que usar la desviación que corresponde al calibrado (•୰ ).
36
Parámetros de calidad de un método Otro parámetro relacionado con el límite de detección es el límite de cuantificación
(LC), que viene a representar la concentración mínima que se puede determinar con
ciertas garantías. Es más exigente que el límite de detección y la señal se suele definir
así:
LC
y bl 10 s r
Siguiendo el mismo razonamiento que con el límite detección se obtiene la siguiente
expresión, que también permite determinar el límite de cuantificación a partir de la
pendiente de la recta (b) y de la •ୠ୪ o •୰ :
LC
10 s bl 10 s r
b
b
6.2.2.5 Desviación de la linealidad. Intervalo útil del método
a. Desviación de la linealidad
Existen distintos criterios para establecer cuál es la concentración a la que el calibrado
ya se desvía de la linealidad (límite de la linealidad, LL), desde la representación gráfica y la decisión personal del punto que ya no queda incluido en la línea recta, a criterios más formales como el que se describe a continuación.
Supóngase que existe un patrón y se quiere probar si su concentración está incluida
o no en la línea recta. Para ello, en primer lugar se calcula la ecuación de la recta
sin incluir el punto cuya linealidad se está estudiando. A continuación, se compara la
señal obtenida al sustituir la concentración del patrón en la ecuación (ycalculada con la
señal experimental (yexperimental). Si ambas señales difieren en más de un 3% del valor
expe-rimental se considera que esa concentración ya no está dentro del intervalo
lineal del método.
y calculada y exp erimental
y exp erimental
! 0,03
En la figura 6.1 se muestra un ejemplo de ajuste en el que se quiere determinar si un
patrón está dentro de la linealidad o no. Se quiere comprobar si la señal obtenida para
el patrón de concentración 0,9 mg/L sigue siendo lineal. En primer lugar, este punto no
se ha utilizado para realizar el ajuste de la recta, sino que la ecuación de la recta
(y=0,9475x+0,0298) se ha obtenido con concentraciones comprendidas entre 0,2 y 0,7
mg/L.
Como se observa en la gráfica, el valor experimental obtenido para 0,9 mg/L ha sido
0,81 (yexperimental) Por otro lado, si sustituimos dicha concentración en la recta de calibrado, obtenemos una señal de 0,97 (ycalculada). Por lo tanto, para establecer si el cali-
37
Análisis nstrumental. Manual de laboratorio
brado sigue siendo lineal para la concentración 0,90 mg/L se ha de usar la ecuación
anterior:
0,81 0,97
0,97
˜ 100 16 ! 0,03
Puesto que se obtiene un valor superior al 3%, podemos decir que el calibrado ya no es
lineal para una concentración 0,90 mg/L, por lo que el LL de dicho método es 0,70
mg/L.
Figura 6.1. Estudio de la linealidad de la señal obtenida para la disolución 0,9 mg/L.
Para determinar la concentración a la cual se pierde la linealidad, se van ensayando
distintas concentraciones, tal como se ha explicado, hasta encontrar la concentración
más elevada que todavía se encuentra incluida en la recta de calibrado.
b. Intervalo útil
El intervalo útil, o intervalo de linealidad, de un método analítico es aquel en el que se
cumple la ecuación del calibrado con garantías. Se establece como el intervalo de concentraciones comprendido entre la concentración más pequeña a la que pueden realizarse medidas cuantitativas (límite de cuantificación, LC) y la concentración a la que el
calibrado se desvía de la linealidad (límite de linealidad, LL):
Intervalo útil = [LC - LL]
38
Parámetros de calidad de un método En la figura 6.2 se muestra un ejemplo de un ajuste en el cual el LD es 0,10 mg/L, el
LC es 0,16 mg/L y el LL es 0,7 mg/L. Por lo tanto, el intervalo útil del método abarca
desde los 0,16 mg/L a los 0,70 mg/L:
Intervalo útil: [0,16-0,70] mg/L
Figura 6.2. Representación del intervalo útil de un calibrado: entre el límite de cuantificación (LC) y
el último punto en le que la respuesta es lineal (LL). El límite de detección (LD) es menor que el LC.
6.2.2.6 Otros parámetros de calidad
Existen otros parámetros a considerar a la hora de establecer la bondad de un método
analítico:
x
x
x
Selectividad: hace referencia al grado de interferencia de una especie sobre la
determinación de otra, y el caso más favorable es el de los métodos específicos
que son aquellos en que no existe ninguna especie, salvo el analito, con capacidad para provocar una señal analítica.
Rapidez. Hay que considerar aquí no sólo el tiempo de aplicación a una muestra,
sino también el tiempo invertido en poner a punto el método de análisis. A la hora de valorar este parámetro es imprescindible por lo tanto valorar el número de
muestra sobre el que se va a aplicar.
Coste. Este parámetro clave en la mayoría de los casos, es complejo de valorar
puesto que es necesario tener en cuenta gran cantidad de factores: inversiones a
realizar en la compra de equipos, consumo de reactivos por unidad analizada,
cualificación del personal que tiene que realizar el análisis, etc.
39
Análisis nstrumental. Manual de laboratorio
6.3. Material
x
12 matraces de 50 mL
x
1 matraz de 100 mL
x
2 pipeta aforada de 10 mL
x
Pipeta aforada de 1 mL
x
2 pipeta graduada de 10 mL
x
Vasos de precipitado de 250mL
x
12 matraces de 50 mL
x
1 matraz de 100 mL
x
2 pipeta aforada de 10 mL
x
Pipeta aforada de 1 mL
x
2 pipeta graduada de 10 mL
x
Vasos de precipitado de 250mL
6.4. Reactivos
40
x
Disolución patrón de sulfato (SO4 2-) de 1000 mg/L. Obtenido a partir de sulfatos sódico.
x
Disolución de trabajo de 100 mg/L. de sulfato (SO4 2-.) preparado a partir de la
disolución de 1000 mg/L, en un aforado de 100 mL.
x
Disolución de sulfato potásico certificada de 50 mg/L de SO42-.
x
Reactivo precipitante, de Bario. Se disuelven 20 g de acetato de bario en una
mezcla de 75 cm3 de ácido acético 10 M y 25 cm3 de solución de goma arábiga
al 5 %, filtrando la solución resultante. El pH amortiguado de esta solución es
de 3,70. Esta disolución, además de aportar el bario, para la formación de los
cristales, hace que estos se mantengan en suspensión durante un periodo de
tiempo suficiente.
Parámetros de calidad de un método 6.5. Procedimiento experimental
IMPORTANTE
Hay que añadir el reactivo precipitante (Ba2+) a la vez a todas las disoluciones: calibrado, muestra, disolución certificada y disoluciones usadas para establecer el intervalo de
linealidad.
Todas las disoluciones, excepto el blanco, han de estar turbias tras la adición del bario.
6.5.1. Obtención de la curva de calibrado
A partir de la disolución de trabajo, de 100 mg/L de SO42-, se pipetean en distintos
aforados de 50 mL volúmenes adecuados para que al final del proceso la concentración
de sulfatos en los aforados sea de 0, 4, 8, 14, 16 y 20 mg/L.
Para establecer la precisión del método, se preparan varias disoluciones del patrón de
concentración 14 mg/L.
Se les añade agua destilada a los aforados hasta que estén más o menos a la mitad.
Posteriormente, se les añade 1 mL del reactivo precipitante y se completa el volumen
de los aforados con agua destilada. Finalmente, se homogeniza la disolución durante un
minuto mediante agitación suave y se deja en reposo al menos otro minuto.
Las medidas de la ‘dispersión/absorbancia’ deben realizarse dentro de los 15 minutos
siguientes. Se miden a 425 nm, empleando como blanco la disolución de 0 mg/L SO42-.
Con los valores obtenidos se construye la recta de calibrado.
6.5.2. Preparación de la muestra
Se opera exactamente igual que para la obtención del calibrado, pero añadiendo un
volumen conocido de la muestra de agua que se va a analizar, un agua mineral comercial o el agua del grifo, en lugar de la disolución patrón.
Se pueden tomar, p. ej. 10 mL de la muestra de agua a analizar. Y como se ha hecho
con las disoluciones del calibrado, se adiciona 1 mL del reactivo precipitante, para
poder visualizar la presencia de sulfatos en el agua.
Se han de realizar al menos tres réplicas de la muestra.
6.5.3. Preparación de la disolución certificada de sulfatos
A partir de la disolución certificada, de 50 mg/L de SO42-, se preparan tres disoluciones
de 10 mg/L de sulfato en sendos aforado de 50 mL. Como en el resto de disoluciones,
se adiciona 1mL del reactivo precipitante, operando de la misma forma que en los casos anteriores.
41
Análisis nstrumental. Manual de laboratorio
Con estos datos se podrá evaluar la exactitud del método para una concentración de 10
mg /L de SO42-,a partir del cálculo del error absoluto y el error relativo cometido.
Además, se podrá establecer si este método turbidimétrico tiene o no error sistemático..
6.5.4. Preparación de las disoluciones para establecer el intervalo útil
Para fijar la concentración superior (LL) a la cual el método sigue siendo lineal, y admitiendo que aún es lineal para la concentración más alta del calibrado (20 mg/L), se
preparan dos disoluciones de mayor concentración.
A partir de la disolución de sulfatos de 1000 mg/L se preparan dos disoluciones, de 40
mg/L y 80 mg/L, en aforados de 50 mL. Una vez se ha añadido la cantidad necesaria de
patrón, provocar la turbidez añadiendo 1mL del reactivo precipitante, como en los casos anteriores.
A partir de los datos de absorbancia obtenidos, se puede establecer si estas disoluciones
están o no incluidas en el intervalo lineal del método. Para ello, se han de realizar los
cálculos descritos en la introducción.
6.6. Cuestiones y resultados
Anotar los datos correspondientes para cada una de las disoluciones preparadas.
1. Anotar los datos experimentales de dispersión obtenidos para cada una de las disoluciones preparadas (calibrado, muestra, disolución certificada y límite lineal)
en la tabla 6.2.
2. Construir la curva de calibrado, representando los puntos y ajustarlos por mínimos
cuadrados a la ecuación de una recta. Calcular:
x
Pendiente de la recta (b)
x
Ordenada del origen (a)
x
Coeficiente de regresión del método (R)
x
Desviación estándar de la regresión (•୰ )
x
Desviación estándar de la pendiente (•ୠ )
3. Determinar la concentración de sulfatos en la muestra teniendo en cuenta la dilución realizada. Expresar los resultados en mg/L de sulfatos. Calcular la desviación
estándar de la concentración anterior por dos métodos: a partir de los datos de la
recta de calibrado y a partir de los distintos valores de concentración obtenidos.
(Consultar la forma de realizarlo en el capítulo 4 (Introducción a los Métodos Instrumentales).
4. Calcular la reproducibilidad del método para la disolución patrón de 14 mg/L.
42
Parámetros de calidad de un método 5. Calcular la exactitud del método a partir de la muestra certificada determinando el
error absoluto y el error relativo del método.
6. Calcular también la t de Student y determinar si existe error sistemático en el método para un nivel de confianza del 95 %.
Tabla 6.2. Tabla de toma de datos
CALIBRADO
Volumen de la disolución de trabajo
(mL)
[SO4-2]
(mg/L)
Absorbancia
4
8
14
14
14
16
20
MUESTRA
[SO4-2]
(mg/L)
Absorbancia
[SO4-2]
(mg/L)
Absorbancia
Dilución 1
Dilución 2
Dilución 3
DISOLUCIÓN
CERTIFICADA
Dilución disolución certificada 1
10
Dilución disolución certificada 2
10
Dilución disolución certificada 1
10
LIMITE LINEALIDAD (LL)
[SO4-2]
(mg/L)
Disolución LL 1
40
Disolución LL 2
80
Absorbancia
43
Análisis nstrumental. Manual de laboratorio
7. Evaluar la sensibilidad y la sensibilidad normalizada del calibrado realizado.
8. Calcular el límite de detección (LD) y el límite de cuantificación (LC) del método.
9. Decidir si las concentraciones de 40 y 80 mg/L están incluidas en el intervalo útil
del método tal como se explica en la introducción.
10. Establecer el Intervalo útil del método: [LC-LL].
11. Describir brevemente los fenómenos que se producen cuando la luz interacciona
con la materia.
44
Capítulo 7
Capítulo 7
Determinación
simultinea de los
componentes de una
mezcla
7.1. Objetivos
Determinar la concentración de dos componentes coloreados, permanganato (MnO4-) y
dicromato (Cr2O72-), que se encuentran presentes en la misma disolución problema.
7.2. Introducción
Las disoluciones con compuestos coloreados tienen la propiedad de absorber luz a
determinadas longitudes de onda, características de estas sustancias.
En el capítulo 4.3 (Métodos de absorción de radiación UV-visible) se vio que un compuesto coloreado cumple la Ley de Beer: A = ε · l · c (A: absorbancia; ε: absortividad
molar, l: longitud de paso del haz de luz; c: concentración) a una determinada longitud
de onda.
Frecuentemente es preciso analizar mezclas de dos o más sustancias. A veces es posible analizar la mezcla haciendo determinaciones espectrofotométricas simultáneas, en
lugar de tener que separar los componentes de la mezcla para determinar espectrofotométrica cada componente por separado.
45
Análisis nstrumental. Manual de laboratorio
Para poder determinar simultáneamente los componentes de una mezcla con el espectrofotómetro, se debe cumplir para cada componente que en su zona de máxima absorción la absorción de los otros componentes de la mezcla sea lo más baja posible y preferiblemente nula. El caso más favorable es que existan zonas de absorción máxima
para cada componente, en las que el otro componente no absorba.
Además, se considera que las absorbancias de cada uno de los componentes son aditivas a cada longitud de onda. Uno de los problemas en la determinación de dos, tres o
más sustancias simultáneamente es que los pequeños errores experimentales se suman
rápidamente: un error en la lectura de absorbancia se superpone a las otras lecturas, con
lo que disminuye la precisión del resultado final.
Por lo anteriormente dicho, si queremos determinar las concentraciones de una mezcla
formada por permanganato (a la que pondremos el índice Mn) y dicromato (a la que
pondremos el índice Cr), debemos medir la absorbancia de la mezcla a dos longitudes
de onda, O1 y O2, que corresponden a las longitudes que absorben con facilidad uno de
los componentes y no el otro, y viceversa. En la figura 7.1 se muestra el espectro del
permanganato y del dicromato en la zona del visible (entre 400 nm y 700 nm). Se puede observar, como el dicromato tiene un pequeño máximo de absorbancia en una zona
del espectro en la que el permanganato no absorbe, y viceversa, en la región en la que
el permanganato tiene un máximo de absorbancia, el dicromato apenas absorbe luz.
Figura 7.1. Espectros del dicromato (línea discontinua) y permanganato (línea continua).
46
Determinación simultánea de los componentes de una mezcla
Puesto que, como hemos dicho, las absorbancias son aditivas, a cada longitud de onda
(ߣଵ y ߣଶ) de medida se cumplirá que:
୑୳ୣୱ୲୰ୟ ሺɉଵ ሻ ൌ ୑୬ ሺɉଵ ሻ ൅ େ୰ ሺɉଵ ሻ
୑୳ୣୱ୲୰ୟ ሺɉଶ ሻ ൌ ୑୬ ሺɉଶ ሻ ൅ େ୰ ሺɉଶ ሻ
Aplicando la Ley de Beer para la absorbancia del permanganato (Mn) y del dicromato
(Cr) a las dos longitudes de onda tendremos un sistema de 2 ecuaciones con 2 incógnitas: las concentraciones de permanganato (‫ܥ‬ெ௡ ) y la concentración de dicromato (‫ܥ‬஼௥ ):
୑୳ୣୱ୲୰ୟ ሺɉଵሻ ൌ ɂ୑୬ǡଵ ൉ Ž ൉ ‫ܥ‬ெ௡ ൅ ɂେ୰ǡଵ ൉ Ž ൉ ‫ܥ‬஼௥
୑୳ୣୱ୲୰ୟ ሺɉଶሻ ൌ ɂ୑୬ǡଶ ൉ Ž ൉ ‫ܥ‬ெ௡ ൅ ɂେ୰ǡଶ ൉ Ž ൉ ‫ܥ‬஼௥
Para poder resolver este sistema es necesario calcular previamente los cuatro valores de
‘ε ·l’. Estos datos se determinan a partir de los calibrados realizados con disoluciones
patrón de permanganato y dicromato a las dos longitudes de onda seleccionadas. Mediante el ajuste por mínimos cuadrados de los datos experimentales se obtienen 4 rectas
de calibrado (y = bx + a), cuyas pendientes se corresponden con los valores de ‘ε·l’ que
buscamos.
7.3. Material
x
2 aforados de 250 mL
x
10 aforados de 50 mL
x
2 vasos de precipitados 250 mL
x
1 pipeta graduada 10 mL
x
1 pipeta graduada 5 mL
x
1 cuentagotas
x
1 agitador
x
1 probeta 100 mL
7.4. Reactivos
x
Disolución patrón de permanganato potásico (KMnO4) 0,50 M en ácido sulfúrico 0,01 M. Pesar la cantidad de permanganato necesaria según el volumen de
disolución que necesitamos preparar, e introducirlo en un vaso de precipitados,
47
Análisis nstrumental. Manual de laboratorio
añadir el volumen total de agua desionizada, cubrir el vaso con un vidrio de reloj y calentar, a ebullición suave 30 minutos. Se deja reposar 24 la disolución y
filtrar a través de un embudo de vidrio sinterizado. Colocar en un recipiente
topacio. Estandarizar la disolución con oxalato sódico.
x
Disolución de trabajo de permanganato potásico 5,0·10-3 M. Preparada a partir
de la disolución de 0,50 M de KMnO4. Utilizar ácido sulfúrico 0,01 M para su
preparación.
x
Disolución patrón de dicromato potásico (K2Cr2O7) 1,00 M en ácido sulfúrico
0,01 M.
x
Disolución de trabajo de dicromato potásico 10,0·10-3 M. Preparada a partir de
la disolución de 0,50 M de K2Cr2O7. Utilizar ácido sulfúrico 0,01 M para su
preparación..
x
Disolución de ácido sulfúrico (0,01 M). Se prepara a partir del ácido sulfúrico
concentrado. RECORDAD: el ácido sulfúrico concentrado se añade siempre
sobre el agua, nunca al revés.
7.5. Procedimiento experimental
7.5.1. Preparación de las disoluciones de calibrado
Preparar, si no lo están, las disoluciones de trabajo en aforados de 250 mL: una disolución 0,005 M de permanganato potásico a partir de la disolución 0,50 M y una disolución 0,010 M de dicromato potásico a partir de la disolución 1,00 M. Utilizar en ambos casos ácido sulfúrico 0,01 M como disolvente.
Preparar en aforados de 50 mL, por dilución a partir de la disolución de trabajo correspondiente las siguientes disoluciones del calibrado:
x
Disoluciones de permanganato (mol/L): 0,5·10-4, 1,5·10-4, 2,5·10-4, 3,5·10-4 y
5,0·10-4.
x
Disoluciones de dicromato (mol/L): 2·10-4, 4·10-4, 6·10-4, 8·10-4 y 10·10-4.
x
Utilizar en todos los casos ácido sulfúrico 0,01 M como disolvente.
Se preparan las disoluciones tanto de permanganato como de dicromato en media ácido
porque en este medio su espectro es más estable.
7.5.2. Localización de los máximos de absorción
Utilizando un espectrofotómetro que permita realizar barridos de disoluciones de dicromato y permanganato en la zona de visible, por ejemplo entre 300 nm y 700 nm,
48
Determinación simultánea de los componentes de una mezcla
ajustando el blanco con la disolución del ácido. Seleccionar para cada componente la
longitud de onda donde la absorción es máxima para un compuesto y mínima para el
otro, es decir O1 y O2
7.5.3. Medida de la absorbancia
Medir la absorbancia en el espectrofotómetro de todas las disoluciones, patrones y
muestra, a las dos longitudes de onda seleccionada. Para ello, calibrar el espectrofotómetro a la primera longitud de onda seleccionada (O1) y medir TODAS las disoluciones del calibrado y las muestras a dicha longitud de onda. Posteriormente, calibrar de
nuevo el espectrofotómetro a la segunda longitud de onda (O2) y medir de nuevamente
todas las disoluciones a esta longitud de onda.
7.6. Cuestiones y resultados
1. Mostrar los datos experimentales en tablas como las que se muestran a continuación (tablas 7.1, 7.2 y 7.3), en la que se indique las absorbancias obtenidas a las
dos longitudes de onda de trabajo.
Tabla 7.1. Datos de absorbancia experimentales de los patrones de permanganato
[MnO4-] (M)
0,5·10- 4
1,5·10-4
2,5·10-4
3,5·10-4
5,0·10-4
Absorbancia
O1=
Absorbancia
O2=
Tabla 7.2. Datos de absorbancia experimentales de los patrones de dicromato
[Cr2O72-] (M)
0,2·10-3
0,4·10-3
0,6·10-3
0,8·10-3
1,0·10-3
Absorbancia
O 1=
Absorbancia
O 2=
49
Análisis nstrumental. Manual de laboratorio
Tabla 7.3. Datos de absorbancia experimentales de la muestra
Muestra
Absorbancia
O 1=
Absorbancia
O 2=
2. Para cada compuesto, permanganato y dicromato, representar en una misma
gráfica la absorbancia frente a la concentración a las dos longitudes de onda de
medida. Utilizar una hoja de cálculo.
3. Ajustar por mínimos cuadrados los datos experimentales una recta. Indicar cuáles
son los valores obtenidos para las pendientes (ε·l ) de las 4 rectas de calibrado.
4. Comentar las diferencias que existen entre el valor de las pendientes obtenidas
para cada compuesto a las dos longitudes de onda de medida.
5. Plantear el sistema de ecuaciones que permita calcular las concentraciones de dicromato y permanganato en la muestra, y resolverlo. Expresar las concentraciones
en mol/L. a partir del correspondiente sistema de ecuaciones
6. ¿Cuáles han de ser las características que deben tener las dos longitudes de onda
seleccionadas para hacer las medidas?
50
Capítulo 8
Capítulo 8
Determinación de
fósforo mediante
adición de patrón
8.1. Objetivos
Determinar la concentración de del fósforo (P) en una muestra de agua procedente de
un vertido industrial mediante colorimétrica.
Poner en práctica la estrategia de calibrado por adición de patrón como forma de soslayar el efecto matriz que provocan sustancias que están en la muestra e interfieren en
la determinación del compuesto que nos interesa.
8.2. Introducción
El fósforo se encuentra en las aguas naturales en varias formas: ortofosfatos, fosfatos
condensados y fosfatos ligados orgánicamente. En el caso de aguas naturales, la presencia de fosfatos disueltos puede estimular el crecimiento no recomendable de micro y
macroorganismos acuáticos fotosintéticos. El origen de los fosfatos presentes en aguas
naturales es diverso: restos de tratamientos en el suministro de aguas, residuos de fertilizantes, restos de limpiezas con detergentes fosforados, etc.
51
Análisis nstrumental. Manual de laboratorio
8.2.1. Método del color amarillo del complejo fosfomolibdovanadato
Los métodos más habituales para determinar los fosfatos por colorimetría son dos.
El primer método se basa en la formación del azul de molibdeno En este procedimiento
se condensan los iones ortofosfato y molibdato en medio ácido, con lo que se obtiene el
ácido molibdofosfórico; a continuación se reduce selectivamente el fosfato, por ejemplo con hidracina, hasta obtener un color azul intenso.
El segundo método, que es el seleccionado en esta práctica, se basa en la formación, en
una sola etapa, de un complejo fosfomolibdovanadato de color amarillo. La naturaleza
del cromóforo no se conoce exactamente, pero se atribuye a la sustitución de los átomos de oxigeno de los grupos fosfato por radicales oxivanadio y oximolibdeno. La
absorbancia del complejo formado se mide a 400 nm. Este método presenta ventajas
frente a otros métodos colorimétricos, como su gran simplicidad experimental, tanto en
la preparación de los reactivos como en la formación del complejo, o la alta estabilidad
del color. Sin embargo, es menos sensible que otros métodos.
8.2.2. Método de adición de patrón o estándar
Para la determinación de la concentración de una especie a partir de la medida de una
propiedad física es importante que la composición de las disoluciones patrón sea muy
cercana a la del problema. El medio en el que se encuentra el analito se llama ‘matriz’.
Cuando la matriz es compleja, o no se conoce, y modifica la respuesta de la especie a
determinar, no se obtienen buenos resultados con la realización del calibrado habitual
(directo). En estos casos, puede utilizarse el método de adición de patrón o estándar
para determinar la concentración del compuesto de interés.
De forma simplificada, el método de adición estándar consiste en preparar una batería
de disoluciones con una misma cantidad de muestra y distintas cantidades de patrón,
manteniendo el volumen final constante. De este modo, la matriz es la misma en todas
las disoluciones del calibrado y afecta en la misma forma a las lecturas.
Es fácil demostrar que en la representación Señal = f (cañadida), la concentración de analito en la muestra se corresponde con el valor absoluto de la abscisa cuando el valor de
la ordenada es cero (ver figura 8.1).
Para determinar el valor de la concentración de analito, se puede aplicar tanto el método gráfico como el matemático.
Las adiciones de patrón han de ser tales que la variación en la concentración del analito
no sea ni muy grande (ya que la señal atribuible a la cantidad de compuesto a determinar en la muestra original sería únicamente una fracción muy reducida de la señal total), ni muy pequeña (ya que los puntos están muy próximos y se comete error al extrapolar en la recta). Lo aconsejable es que se agregue una cantidad de analito parecida a
la que pueda contener la muestra, entre el 50 % y el 200 %.
52
Determinación patrón de fósforo mediante adición de patrón
Y
Lectura de la muestra sin patrón
añadido
Concentración
de la muestra
CS
Figura 8.1. Ejemplo de calibrado de adición patrón
Pese a las ventajas que tiene el método de adición de patrón al corregir el efecto matriz,
su aplicación experimental es larga, al tener que realizar distintas adiciones de patrón
sobre cada una de las muestras que se han de procesar, de modo que se aplica exclusivamente cuando es imprescindible.
Por otra parte, para calcular la desviación estándar de la concentración de analito que
se obtiene a partir de la recta de calibrado (sc), se puede utilizar la siguiente ecuación,
que es una modificación de la que aparece en el capítulo 4 (Introducción a los métodos
instrumentales) (consultar el significado de los símbolos en dicho capítulo):
sc
sr
b
2
1
y
n b 2 ˜ S xx
8.3. Material
x
5 matraces aforados de 50 mL
x
Papel de filtro exento de fósforo (si fuese necesario)
x
Matraz aforado de 100 mL
x
Pipetas graduadas de 1, 5 y 10 mL
53
Análisis nstrumental. Manual de laboratorio
8.4. Reactivos
x
Disolución de vanadomolibdato. Disolver 20 gramos de molibdato amónico
tetrahidrato en 200 mL de agua caliente y dejar enfriar. A continuación, se disuelve 1 gramo de metavanadato amónico en 200 mL de agua caliente, se deja
enfriar y se le añaden 225 mL de ácido perclórico al 70%. Se adiciona gradualmente y con agitación la disolución de molibdato amónico sobre la disolución de metavanadato amónico y se enrasa a 1 litro.
x
Disolución madre de P de 100 mg/L. Disolver 0,4393 g de KH2PO4 (secado a
105ºC durante 1 hora) en 500 mL de agua destilada y enrasar a 1 litro. Añadir
5 gotas de tolueno para disminuir la actividad microbiana.
x
Disolución de trabajo de 5 mg/L de fósforo en un aforado de 100 mL.
8.5. Procedimiento experimental
IMPORTANTE
Se ha de trabajar paralelamente con todos los aforados de forma que el desarrollo del
color ocurra en las mismas condiciones
En primer lugar hay que lavar todo el material que se vaya a utilizar con
detergente libre de fósforo.
Para cada muestra que se tenJDTXH determinar se procederá de la siguiente manera:
1. Colocar en cada uno de los cinco aforados 10 mL de la muestra. Si la muestra
presenta turbidez, filtrar la muestra previamente a través de papel de filtro libre de fósforo.
2. A continuación, añadir a cada uno de los aforados 0, 2, 4, 6 y 8 mL de la disolución de trabajo de fósforo (5 mg/L de P).
3. Para provocar el desarrollo del color, añadir 10 mL de la disolución de vanadomolibdato a cada aforado y agitar.
4. Enrasar con agua destilada y homogeneizar la disolución.
5. Preparar también una disolución blanco, para ajustar la absorbancia a ‘cero’ en
el colorímetro. Añadir en un aforado de 50 mL únicamente 10 mL de la disolución de vanadomolibdato, enrasar y agitar.
6. Medir la absorbancia a 400 nm 15 minutos después de la adición de la disolución de vanadomolibdato.
54
Determinación patrón de fósforo mediante adición de patrón
8.6. Cuestiones y resultados
1. Completar la siguiente tabla con los datos correspondientes.
Volumen disolución
de trabajo de P
(5 mg/L ).
Concentración
P añadido
(mg/L).
Absorbancia a
400 nm
0
2
4
6
8
2. Dibujar la gráfica ‘concentración’ frente a ‘absorbancia’ y obtener la ecuación de
la recta mediante ajuste por mínimos cuadrados de los datos experimentales.
3. Determinar la concentración de fósforo, procedente de la muestra, en los aforados,
expresada en mg/L de P.
4. Calcular la desviación estándar que tiene la concentración de fosforo usando la
expresión que indica en la introducción
5. Calcular la concentración de fosforo en la muestra, considerando la dilución realizada en el procedimiento experimental, y su desviación estándar.
6. ¿Por qué no se pueden medir las disoluciones antes de que transcurran 15 minutos
desde que se añaden los reactivos?
55
Capítulo 9
Capítulo 9
Determinación de sodio
en agua por misión
tómica
9.1. Objetivos
Aplicar una técnica de emisión atómica, la fotometría de llama, para la determinación
de la concentración de sodio (Na) de una muestra de agua problema.
9.2. Introducción
La concentración de sodio se determinará mediante fotometría de emisión atómica o
fotometría de llama. Esta técnica se basa en la medida de la intensidad de la radiación
emitida por los átomos excitados de una muestra a la longitud de onda característica de
ese elemento. El instrumento utilizado para esta técnica es el fotómetro de llama (figura
9.1).
Los átomos son excitados por medio de una llama y la intensidad de la radiación emitida es proporcional a la concentración de ese elemento en disoluciones diluidas. Este
método permite medir con exactitud concentraciones de Na (y de otros elementos como
K ó Ca) inferiores a 1 mg/L
La muestra debe estar perfectamente disuelta, ya que la más mínima turbidez puede
conducir a errores en las lecturas, además de provocar la obturación del sistema de
57
Análisis Instrumental. Manual de laboratorio
nebulización y la formación de depósitos de residuos en el quemador. En esta técnica,
salvo que las muestras sean muy sencillas, el efecto matriz y la influencia de la viscosidad de las distintas disoluciones alteran la respuesta, de modo que hay que tener especial cuidado en que la composición de patrones y problemas sea muy similar o, de lo
contrario, habría que recurrir a la técnica de adición de patrón.
Figura 9.1. Fotómetro de llama.
9.3. Material
x
1 matraz aforado de 100 mL
x
7 matraces aforados de 50 mL
x
Pipetas de 1, 5 y 10 mL
x
Vaso de precipitados de 100 mL
9.4. Reactivos
58
x
Disolución patrón 4,0·10-2 M de Na, preparado a partir de reactivo NaCl.
x
Disolución de trabajo 4,0·10-3 M de Na a partir de la disolución madre
4,0·10-2 M en un aforado de 100 mL.
Determinación de sodio por emisión atómica
9.5. Procedimiento experimental
9.5.1. Preparación de la curva de calibrado
Pipetear la cantidad necesaria de disolución de trabajo (4,0·10-3 M de Na) en
aforados de 50 mL para preparar disoluciones de Na con las siguientes
concentraciones:
0; 0,40·10-4; 0,80·10-4; 1,20·10-4; 1,60·10-4; 2,00·10-4 y 2,40·10-4 M
9.5.2. Medida en el fotómetro
En primer, lugar se selecciona el monocromador para realizar lecturas a 589 nm (filtro
de Na) y se ajusta el equipo siguiendo las normas de manejo que correspondan al equipo con el que se esté trabajando. Una vez ajustado, se pasan las disoluciones patrón en
orden creciente de concentración anotando la lectura para construir la curva patrón.
Por último, se procede a la lectura de la muestra de agua directamente. Si la muestra
estuviera turbia, se debe filtrar con papel de filtro. Si la lectura obtenida estuviera por
encima del intervalo útil de linealidad, se ha de realizar la dilución adecuada para que
quede dentro de intervalo.
9.6. Cuestiones y resultados
1. Indicar cuál es el volumen de la disolución madre (4,0·10-2 M) necesario para preparar 100 mL de la disolución de trabajo (4,0·10-3 M).
2. Completar la siguiente tabla con los datos de la experiencia.
Concentración
de Na
(M)
Volumen disolución de Emisión a 589 nm
trabajo (4,0·10-3 M)
(ua)
(mL)
0
0,40·10-4
0,80·10-4
1,20·10-4
1,60·10-4
2,00·10-4
2,40·10-4
Muestra
Muestra
Muestra
59
Análisis nstrumental. Manual de laboratorio
3. Obtener la ecuación de la recta ajustada por mínimos cuadrados. Comentar la
bondad del ajuste de la recta
4. Calcular la concentración de Na en la muestra de agua; si se ha realizado dilución, tenerla en cuenta. Calcular a continuación la desviación estándar obtenida
60
Capítulo 10
Capítulo 10
Determinación de
potasio en suelo por
misión tómica
10.1. Objetivos
Aplicar un método de extracción sólido-líquido para la extracción del potasio del suelo.
Determinar la concentración del potasio (K) asimilable de una muestra de suelo mediante la técnica de fotometría de llama.
10.2. Introducción
El potasio se encuentra en el suelo en forma orgánica e inorgánica. El K inorgánico
supone en torno al 1.5% en peso de suelo y se encuentra principalmente en los minerales silicatados. El K orgánico se encuentra en menor cantidad y procede de la descomposición de restos vegetales y animales.
El potasio es un elemento fundamental en la química del suelo. Las plantas lo absorben
en cantidades importantes y su papel es muy variado, ya que interviene en el metabolismo glucídico y proteico, forma parte de un gran número de enzimas y contribuye a
mantener la turgencia celular.. Sin embargo, la mayor parte del potasio del suelo no
está disponible para las plantas. Por todo ello, la fracción de potasio que tiene interés
agronómico no es el potasio total sino el potasio asimilable por las plantas.
61
Análisis Instrumental. Manual de laboratorio
En este experimento, el potasio asimilable es extraído mediante una disolución de acetato amónico 1,0 M a pH 7. La concentración de K del extracto se determinará por
fotometría de llama.
10.3. Material
x
Tubo de centrífuga de 50 mL
x
Matraz erlenmeyer de 250 mL
x
Matraz aforado de 100 mL
x
7 matraces aforados de 50 mL
x
Probeta de 50 mL
x
Pipetas de 1, 5 y 10 mL
x
Vaso de precipitado de 250 mL
x
Embudo y papel de filtro.
x
Imán agitador y agitador magnético.
10.4. Reactivos
x
Disolución extractante de acetato amónico 1,0 M ajustada a pH 7. Diluir 57
mL de ácido acético en 600 mL de agua destilada, añadir 68 mL de hidróxido
amónico concentrado, ajustar el pH a 7.0 añadiendo hidróxido amónico o ácido acético y completar con agua hasta 1 litro.
x
Disolución madre de 250 mg/L de K, en acetato amónico 1,0 M a pH 7. Disolver 0,4766 g de cloruro potásico (KCl) desecado en 1 litro de acetato amónico
1 M a pH 7.
10.5. Procedimiento experimental
10.5.1. Extracción del potasio del suelo
Para realizar la extracción del potasio del suelo hay que seguir el siguiente procedimiento:
1. Colocar 10,00 g de suelo en un matraz erlenmeyer. Anotar la cantidad de suelo
pesado.
2. Añadir 25 mL de acetato amónico 1,0 M (pH 7) al matraz y agitarlo durante 10
minutos con ayuda de un agitador magnético.
62
Disolución de potasio en suelo por emisión atómica
3. Trasvasar al tubo de centrífuga la disolución y centrifugar 5 minutos a 3000
rpm. Posteriormente, decantar el líquido sobrenadante, transparente, recogiéndolo en un matraz aforado de 100 mL.
4. Repetir los puntos 2 y 3 del proceso dos veces más, recogiendo los decantados
en el mismo matraz aforado.
5. Por último, enrasar el aforado de 100 mL, que contiene los 3 extractos, con la
disolución de acetato amónico.
Este procedimiento se aplica para conseguir que todo el potasio asimilable que hay en
los 10 g de suelo pase al matraz aforado de 100 mL.
Filtrar una porción suficiente de la muestra antes de su medida en el fotómetro.
10.5.2. Preparación de la curva de calibrado
A partir de la disolución madre de K, de 250 mg/L, pipetear las cantidades necesarias
para preparar (en aforados de 50 mL) disoluciones de 0, 10, 20, 30, 40 y 50 mg/L de K.
Utilizar la disolución extractante para completar el volumen.
10.5.3. Medida en el fotómetro
En primer lugar, se selecciona el monocromador para realizar lecturas a 766 nm. A
continuación, se introduce el capilar del fotómetro en el aforado que contiene agua
destilada y se ajusta a 0 el equipo (seguir las normas de manejo que correspondan al
equipo con el que se esté trabajando).
Una vez ajustado el equipo, se pasan las disoluciones patrón en orden creciente de
concentración anotando la lectura para construir la curva patrón. Por último se procede
a la lectura de la muestra de extracto de suelo.
10.6. Cuestiones y resultados
1. Completar la tabla 10.6 con las concentraciones y datos de emisión de la práctica.
2. Construir la curva de calibrado y ajustar por mínimos cuadrados los datos experimentales a una recta.
3. Determinar la concentración de K en el extracto de suelo, expresando los resultados en mg/L. Calcular también su desviación estándar.
4. Determinar la concentración de K en la muestra de suelo (expresar los resultados
en mg de K/100 g de suelo y en equivalentes de K/100 g de suelo). Calcular también su desviación estándar.
63
Análisis nstrumental. Manual de laboratorio
Tabla 10.1. Tabla par la toma de datos de la práctica.
Concentración K
(ppm)
0
10
20
30
40
50
Muestra
64
Volumen
pipeteado
(mL)
Emisión a 766 nm
(ua)
Capítulo 11
Capítulo 11
Uso de electrodos
selectivos mediante
calibrado directo y
adición de patrón
11.1. Objetivos
Determinar la concentración de nitrato y amonio en una muestra de agua.
Familiarizarse con el manejo de un electrodo de ión selectivo.
Aplicar dos procedimientos para obtener la concentración de estos iones en muestras:
calibrado directo y adición estándar.
11.2. Introducción
Los electrodos selectivos de iones responden selectivamente a una especie presente en
la disolución. Estos electrodos tienen una delgada membrana que separa la muestra del
interior del electrodo. La parte interna del electrodo contiene una solución del ión de
interés con actividad constante y la parte externa está en contacto con una muestra de
composición variable. La diferencia de potencial a través de la membrana depende de
la diferencia de concentración de la especie entre la disolución interna y la muestra
problema.
65
Análisis Instrumental. Manual de laboratorio
Constituyen una herramienta muy útil en el laboratorio. Existen multitud de electrodos
diferentes. Idealmente un elemento de este tipo debería ser sensible a una sola sustancia, en realidad esto no es así, de forma que existen especies distintas a la especie de
interés, a las que también es sensible, y por tanto estas son una interferencia.
Las ventajas de los electrodos selectivos de iones son numerosas. Responden de manera lineal a la mayoría de los analitos dentro de un amplio intervalo de concentración.
En muchos casos no destruyen la disolución de la muestra. Su tiempo de respuesta
suele ser corto. Un electrodo selectivo permite la determinación de una sustancia en
una disolución aunque tenga color o turbidez.
Entre los inconvenientes, hay que tener en cuenta que la precisión que se consigue con
esta técnica es baja, en los casos más favorables es próxima al 1% Los electrodos pueden contaminarse con sustancias orgánicas que provocan lentitud y deriva en la respuesta y hay que reponerlos con el uso.
La fuerza iónica afecta a la lectura de los electrodos en mayor o menor grado por esto,
en algunos casos, es necesario añadir una disolución con una concentración salina elevada (ISA) tanto a los patrones como a la muestra de forma que la concentración iónica
sea alta y prácticamente igual en todas las disoluciones.
Deben estar ausentes también especies que formen complejos con el analito, ya que el
electrodo sólo responde a la especie libre.
Una vez finalizadas las determinaciones, los electrodos se lavan con agua desionizada.
El electrodo selectivo se guarda limpio y seco, y el electrodo de referencia en una disolución saturada de KCl (salvo que la casa comercial indique otra cosa).
En la muestra de agua se va a determinar la concentración de nitrato mediante un calibrado directo y la de amonio por el método de adición de patrón.
11.2.1. Calibrado directo
Es posible establecer una relación lineal entre la lectura de un electrodo (potencial
eléctrico, E, mV) y el logaritmo de la concentración de la especie que es sensible:
E [mV] = b · log (c) + a
Esta relación es la que se aprovecha para realizar la determinación cuantitativa del
nitrato en la muestra de agua. El método supone que en la muestra no existen otras
especies que interfieran.
11.2.2. Método de adición de patrón o estándar
La determinación de la concentración de amonio en esta muestra requiere la utilización
del método de adición de patrón para corregir el efecto matriz.
El procedimiento experimental que se usa normalmente con los electrodos selectivos es
diferente al que se utilizó en el caso del fósforo (capítulo 8). Consiste en añadir sobre
66
Uso de electrodos selectivos una sola disolución de muestra volúmenes conocidos de disolución patrón. Los volúmenes agregados deben ser pequeños con el fin de no modificar la matriz de la muestra
en todo el proceso y, además, suponer que el volumen total apenas se modifica.
El electrodo se sumerge tras cada adición de patrón en la disolución y se mide el potencial.
El método de adición estándar funciona mejor cuando la cantidad del analito agregado
está aproximadamente entre el 50 y el 200% de la cantidad original de amonio que
suponemos que existe en la disolución de la muestra.
El cálculo de la concentración de la muestra por el método de adición de patrón en el
caso de los electrodos selectivos se complica dado que la relación entre la señal (potencial, E, mV) y la concentración es logarítmica.
Para simplificarlo, se establece a continuación la ecuación que permite determinar la
concentración en la dilución de la muestra utilizando dos lecturas: potencial leído con
la muestra y el correspondiente a la lectura tras la adición de un patrón.
Vamos a considerar que la adición de patrón, al ser dicho añadido muy pequeño, apenas modifica el volumen de la muestra (100 mL)
Hay que realizar el siguiente desarrollo, en el que los términos se definen como sigue:
x
CM: concentración de NH4+ en la disolución muestra.
x
CP: concentración inicial de NH4+ en la disolución patrón añadida.
x
VM: volumen disolución muestra (mL).
x
VP: volumen añadido de la disolución patrón (mL).
x
EM: potencial disolución muestra (mV).
x
EMP: potencial disolución muestra a la que se ha añadido disolución patrón
(mV).
x
k: constante del electrodo; se determina previamente.
Como hemos visto, existe una relación lineal entre el potencial de la disolución y la
concentración. Por tanto, para la disolución muestra se cumplirá que su potencial (EM)
y su concentración (CM) seguirán la siguiente ecuación:
EM
k · logC M
[11.1]
Tras cada adición de un volumen conocido de patrón (VP) sobre la disolución problema
se cumple que:
E MP
§ C ˜V
C ˜V
k · log¨¨ M M P P
© VM VP VM VP
·
¸¸
¹
67
Análisis nstrumental. Manual de laboratorio
Si el volumen de patrón añadido es pequeño: VM + VP ≈ VM:
E MP
§
C ˜V
k · log¨¨ C M P P
VM VP
©
·
¸¸
¹
[11.2]
Si a la ecuación [12.2] le restamos la ecuación [12.1] nos queda que:
E MP E M
§ §
C ˜V
k · ¨ log ¨¨ C M P P
¨
VM VP
© ©
·
·
¸¸ log C M ¸
¸
¹
¹
Si tenemos en cuenta las propiedades de los logaritmos, podemos reescribir la ecuación
anterior de la siguiente forma:
CM E MP E M
k ˜ log
E MP E M
k
CM log
C P ˜ VP
VM VP
CM
C P ˜ VP
VM VP
CM
Por otro lado, si consideramos que VM + VP ≈ VM:
C P ˜ VP
VM
CM
CM E MP E M
k
log
E MP E M
k
§
C ˜V
log¨¨1 P P
C
M ˜ VM
©
Finalmente, si eliminamos los logaritmos:
10
10
E MP E M
k
E MP E M
k
1
1
1
10
68
E MP E M
k
1
C P ˜ VP
C M ˜ VM
C P ˜ VP
C M ˜ VM
C M ˜ VM
C P ˜ VP
·
¸¸
¹
Como vemos, podemos llegar a una ecuación que relaciona la concentración de analito
en la muestra (CM) con el potencial inicial (EM) y con los potenciales medidos tras cada
adición de patrón sobre la muestra problema (EMP):
C P ˜ VP
VM
CM
10
E MP E M
k
[11.3]
1
Esta es la ecuación que se utilizará para determinar la concentración de analito en la
muestra a partir de cada uno de los datos de potencial obtenidos tras cada adición de
patrón.
El valor de concentración que se asigna a la muestra es la media de los valores de concentración obtenidos.
11.3. Material
x
pH-metro con electrodo selectivo y electrodo de referencia.
x
8 vasos de precipitados de100 mL (forma alta)
x
1 vaso de precipitados de 250 mL
x
Pipetas graduadas de 5 mL
x
1 pipeta graduada de 1 mL
x
1 pipeta aforadada de 10 mL
x
1 pipeta aforada de 50 mL
x
8 aforados de 50 mL
x
Propipeta
x
Agitador magnético con imán
x
Probeta de 100 mL
11.4. Reactivos
x
Disolución ISA (Solución ajustadora de la fuerza iónica) 0,9 mol/L de
Al2(SO4)3·18 H2O. Pesar 300 gramos de Al2(SO4)3·18 H2O y disolver en unos
800 mL de agua caliente desionizada. Dejar enfriar y enrasar hasta 1000 mL
con agua desionizada a temperatura ambiente.
69
Análisis nstrumental. Manual de laboratorio
x
Solución patrón de amonio 0,10 mol/L de NH4+. Secar el reactivo NH4Cl en
una estufa a 120º durante 2 horas. Pesar 5,349 gramos, disolver y enrasar en un
matraz de un litro con agua desionizada
x
Solución patrón de nitrato 0,10 mol/L de NO3-. Secar el reactivo KNO3 en una
estufa a 120º durante 2 horas. Pesar 10,111 gramos, disolver y enrasar en un
matraz de un litro con agua desionizada
11.5. Procedimiento experimental
11.5.1. Determinación de nitrato mediante calibrado
11.5.1.1 Preparación de las disoluciones para el calibrado a partir de la solución patrón de nitrato 10-1 mol/L de NO3Preparar a partir de esta disolución patrón, en matraces aforados de 50 mL, una disolución con cada una de las siguientes concentraciones: 10-4,10-3, 5·10-3 y 10-2 mol/L de
NO311.5.1.2 Medida del potencial (mV) del calibrado
Para proceder a la lectura verter el contenido de los matraces en los vasos de precipitados debidamente identificados. Añadir 4 mL de ISA en cada uno de ellos.
Retirar la protección de los electrodos (electrodo de referencia y electrodo selectivo),
lavarlos y secarlos cuidadosamente.
Empezar a medir por la solución más diluida hasta llegar a la de 10-1 mol/L de NO3Para realizar la medida introducir ambos electrodos en la disolución y agitar. Apagar el
agitador (la lectura se puede ver afectada por la agitación), medir el potencial (presionar el botón mV) y anotar el valor obtenido cuando el aparato se haya estabilizado (el
indicador luminoso debe quedar fijo).
Lavar y secar los electrodos después de cada medida realizada
11.5.1.3 Medida del potencial (mV) de la muestra problema.
Tomar 50 mL de agua del grifo y añadir 4 mL de ISA. Medir de igual manera. Si se
saliera de la escala de medida diluir la muestra. Realizar las réplicas necesarias.
11.5.2. Determinación de amonio por el método de adición estándar
El electrodo de amonio presenta como interferencias iones que aparecen en la muestra,
un agua. Por ello, la medida directa no da buenos resultados y hay que recurrir a la
adición de patrón.
70
11.5.2.1 Preparación de las disoluciones patrón
Preparar la solución 10-2 M de NH4+ a partir de la solución estándar de amonio 0,1 M
de NH4+. Utilizar para ello un matraz aforado de 100 mL.
11.5.2.2 Medida del potencial (mV)
Poner 100 mL de muestra en un vaso de precipitados y medir su potencial.
Tomar una nueva medida del potencial tras la adición de los siguientes volúmenes de
patrón sobre la muestra problema:
1. 0,1 mL de disolución 10-2 M de de NH4+
2. 1,0mL de disolución 10-2 M de NH4+
3. 0,5 mL de disolución 0,1M de NH4+
4. 1,0 mL de disolución 0,1M de NH4+
Calcular la concentración de amoniaco en la muestra utilizando la ecuación 11.3 para
cada una de las cuatro adiciones de patrón realizadas. . La concentración de amonio en
la muestra vendrá dada por la media de los cuatro resultados.
11.6. Cuestiones y resultados
11.6.1. Determinación de la concentración de nitrato
1. Rellenar la tabla siguiente con los datos experimentales:
[NO3-]
Lectura del electrodo
(mol/L)
(mV)
1,0·10-4
1,0·10-3
5,0·10-3
1,0·10-2
1,0·10-1
Muestra 1
Muestra 2
Muestra 3
71
Análisis nstrumental. Manual de laboratorio
2. Construir la curva de calibrado representando el logaritmo de la concentración
frente al potencial (mV), ajustándola por mínimos cuadrados para la obtención de
la ecuación de una recta.
3. Determinar la concentración de nitrato en la muestra y expresar los resultados en
mg/L de nitrato.
11.6.2. Determinación de amonio
4. Anotar el potencial medido en cada caso en la siguiente tabla:
Volumen de patrón
(concentración
inicial)
[NH4+] añadido
Lectura electrodo
(mol/L)
(mV)
Muestra problema
0.1 mL (10-2 M)
1,0 mL (10-2 M)
0,5 mL (10-1 M)
1,0 mL (10-1M)
5. Calcular la concentración de amonio en la muestra para cada par de lecturas
realizadas y su desviación; expresar la concentración de amonio en mg/L.
72
Capítulo 1
Apéndice 1
Seguridad en el
laboratorio
1.1. Objetivos
Conocer las normas de seguridad que se han de seguir en el laboratorio para que en el
trabajo no se corran riesgos innecesarios.
1.2. Precauciones en el laboratorio químico
En un laboratorio químico se trabaja con productos que pueden resultar peligrosos si no
se conoce la forma adecuada de manipularlos y conservarlos.
Los riesgos más frecuentes son salpicaduras, quemaduras, pequeñas explosiones, etc.
Algunas de las precauciones y normas más usuales que se han de seguir para evitar
estos incidentes son:
x
Debe conocerse la situación en el laboratorio de los elementos de seguridad:
lavaojos, ducha, extintor, mantas ignifugas, salidas,....
x
Debe llevarse batas de laboratorio con las mangas largas y ajustadas.
73
Análisis nstrumental. Manual de laboratorio
74
x
Usar las gafas de seguridad cuando nosotros o los compañeros estén realizando operaciones en que puedan producirse salpicaduras. No usar lentillas, ya
que en caso de accidente no pueden quitarse con rapidez.
x
Todos los reactivos y aparatos deben manipularse atendiendo a las normas específicas de seguridad, y manteniendo los alrededores perfectamente limpios y
secos. Si algún reactivo se derrama debe limpiarse inmediatamente de forma
adecuada.
x
Cuando se necesario evitar el contacto de los productos químicos con la piel.
Usar guantes en función del producto y mantener el lugar de trabajo limpio.
x
Nunca debe llevarse ningún material a la boca. Los líquidos se pipetean con la
propipeta.
x
No hay que aspirar directamente los vapores de un líquido de la botella. El
movimiento de la mano sobre la boca de la botella, nos ayudará a acercar los
vapores a la nariz para percibir su olor.
x
Sólo deben verterse a la pila disoluciones inocuas. Los líquidos peligrosos se
recogen en bidones adecuados para su posterior tratamiento, los vidrios en el
contenedor destinado a tal efecto y los reactivos sólidos no peligrosos en la
papelera.
x
No mezclar nada cerca del rostro, ni en sitios donde las proyecciones de productos que puedan producirse causen perjuicio.
x
No usar material desportillado o con grietas.
x
Hacer los montajes de cada práctica con el material adecuado. Evitar la utilización de bases inestables y mantener la vigilancia necesaria.
x
Las mesas y los aparatos han de estar siempre limpios y ordenados. Después
de cada operación hay que limpiar todos los utensilios El tiempo de limpieza
también debe considerarse necesario para el desarrollo de la experiencia.
x
Cualquier operación en la que se desprendan vapores tóxicos o inflamables,
debe efectuarse en vitrina.
x
Los disolventes inflamables y volátiles (éter, acetona, etanol, metanol, hexano,
sulfuro de carbono, benceno, etc) nunca deben calentar se a la llama directa o
cerca de ella. Para su calentamiento hay que emplear baños.
x
No calentar recipientes cerrados de ningún tipo.
x
Cualquier variación que por cuenta propia se haga en un experimento hay que
contrastarla por razones de seguridad y aprovechamiento.
Seguridad en el laboratorio
1.3. Protocolo a seguir en caso de accidente
En primer lugar, aunque el accidente parezca insignificante, comuníquelo al profesor.
Como norma general, si el accidente es grave, se debe buscar ayuda a través de los
teléfonos de emergencia que deben estar en la cartelería del laboratorio (se recomienda
localizarlos las primeras veces que se accede al local).
Si el accidente es leve, o mientras se recibe la atención especializada, se han seguir las
instrucciones a que se detallan a continuación.
1.3.1. Salpicaduras
En caso de salpicadura en la piel, retirar la ropa contaminada y lavar la zona afectada
con agua abundante durante 15 minutos. Existen algunas a excepción, como por ejemplo, en el caso de salpicadura con ácido sulfúrico, en el que hay que evitar el uso de
agua.
Neutralizar las quemaduras de ácidos con bicarbonato sódico y las de bases con ácido
cítrico.
En el caso de salpicaduras de productos químicos en los ojos la rapidez de actuación es
esencial. Lavarlos con agua abundante durante 15 minutos sin frotar utilizando una
ducha lavaojos, abriendo bien los párpados y moviendo los ojos en todas direcciones.
No aplicar pomadas y colirios y acudir al oculista.
1.3.2. Quemaduras
Mantener la zona quemada bajo agua fría durante 10-15 minutos.
1.3.2.1 Quemaduras por ácidos
Como en el resto de quemaduras, lavar la zona afectada con agua abundante, si la ropa
está impregnada del ácido, hay que quitarla.
Utilizar la ducha de emergencia en el caso de que una parte considerable del cuerpo se
haya visto afectada.
Si la salpicadura es de ácido sulfúrico concentrado, antes de lavar la zona con
agua, hay que eliminar la mayor parte del ácido con un trapo o un papel de filtro; los
últimos restos se pueden eliminar con disolución de bicarbonato de sodio al 5 %.
1.3.2.2 Quemaduras por álcalis
El tratamiento es el mismo que para las quemaduras por ácidos, con la salvedad de que
para eliminar los últimos restos de álcali, después del lavado con agua puede aplicarse
una disolución de ácido acético al 1 % sobre la zona afectada.
75
Análisis Instrumental. Manual de laboratorio
1.3.2.3 Ropas ardiendo
Tumbar al afectado en el suelo y hágalo rodar para intentar extinguir las llamas. Cubrirlo con una manta ignífuga o toallas húmedas. Si la manta no está a mano arrójele
agua o utilice la ducha de seguridad pero nunca utilice un extintor sobre una persona.
No intentar retirar la ropa que pueda estar adherida a la piel. Una vez el fuego esté
apagado avise a un médico.
1.3.3. Cortes
Deben ser lavados con agua abundante durante al menos 10 minutos para asegurarse
que se han eliminado todos los productos químicos o pequeñas piezas de vidrio.
Si no se detiene la hemorragia, aplicar una compresa esterilizada sobre la herida, presionar fuertemente y recurrir a la atención médica.
1.3.4. Ingestión de productos químicos:
No intentar provocar el vómito. Enjuagar la boca con agua repetidas veces y obtener
atención médica inmediatamente.
1.3.5. Incendio
En caso de incendio, la mejor forma de proceder es mantener la serenidad.
Los incendios pequeños, se ahogan con trapos. Si el líquido se derrama por la mesa, no
hay que echar agua sino arena, para tenerlo localizado.
Cuando un incendio es de mayor envergadura, se apaga con una manta o mejor con un
extintor.
Si se inflama un recipiente, que se calentaba a la llama directa, se extingue apartando el
mechero y cubriendo la boca del recipiente con una placa de vidrio u otro material, o
con un trapo húmedo.
1.4. Riesgos específicos de los productos químicos
Los productos químicos contienen en su etiqueta información básica que hay que conocer en cada caso para manipularlos correctamente y evitar riesgos.
En la figura A1.1 se presenta el esquema de una etiqueta con los distintos puntos que
contiene normalmente.
Por una parte, aparece la identificación del producto, no sólo con el nombre químico,
sino también el número CAS, que es el número que sirve para reconocer el producto en
cualquier parte del mundo, algo así como el DNI de cada producto. También aparecen
datos relacionados con el composición, el proveedor, etc.
76
Seguridad en el laboratorio
Figura A1.1. Ejemplo de etiqueta de un reactivo, con la información relevante
En cuanto a la información sobre los riesgos propios del compuesto, hay que señalar el
uso de pictogramas y de frases tipo que nos advierten de riesgos, o nos dan consejos
sobre la forma de manipulación o de almacenaje.
El Reglamento (CE) 1272/2008 CLP (Clasificación, Etiquetado y Envasado) representa
la adaptación en la UE del SGA (Sistema Globalmente Armonizado, GHS en inglés),
que es una regulación aprobada a nivel mundial.
Este reglamento propone distintos cambios con respecto de las regulaciones anteriores.
Así, las indicaciones de peligro (equivalentes a las anteriores frases R), se remplazan
por las frases H (de Hazard, peligro en inglés), se agrupan según peligros físicos (tabla
A1.1), peligros para la salud humana (tabla A1.2) y peligros para el medio ambiente
(tabla A1.3).
Tabla A1.1. Frases H para los peligros físicos
Frase
Indicación de peligro
H200
Explosivo inestable.
H201
Explosivo; peligro de explosión en masa.
H202
Explosivo; grave peligro de proyección.
H203
Explosivo; peligro de incendio, de onda expansiva o de proyección.
H204
Peligro de incendio o de proyección.
H205
Peligro de explosión en masa en caso de incendio.
H220
Gas extremadamente inflamable.
77
Análisis Instrumental. Manual de laboratorio
Tabla A1.2. Frases H para los peligros para la salud
Frase
Indicación de peligro
H300
Mortal en caso de ingestión
H301
Tóxico en caso de ingestión.
H302
Nocivo en caso de ingestión.
H304
Puede ser mortal en caso de ingestión y penetración en las vías respiratorias
H310
Mortal en contacto con la piel.
H311
Tóxico en contacto con la piel.
Tabla A1.3. Frases H para los peligros para el medio ambiente
Frase
Indicación de peligro
H400
Muy tóxico para los organismos acuáticos.
H410
Muy tóxico para los organismos acuáticos, con efectos nocivos duraderos.
H411
Tóxico para los organismos acuáticos, con efectos nocivos duraderos.
H412
Nocivo para los organismos acuáticos, con efectos nocivos duraderos.
H413
Puede ser nocivo para los organismos acuáticos, con efec- tos nocivos duraderos.
Las frases de prudencia P, que sustituyen a las anteriores frases S, describen las medidas recomendadas para minimizar o evitar los efectos adversos causados por la exposición a una sustancia o mezcla peligrosa durante su uso o eliminación (Tabla A1.4).
Los consejos de prudencia que aparecen en la etiqueta se seleccionan de entre los establecidos, debiendo figurar para cada clase de peligro, en principio, hasta un máximo de
seis. En el caso de productos que se suministran al público en general, deberá constar
un consejo de prudencia relativo a la eliminación del mismo, así como a la eliminación
del envase. Cuando esté claro que la eliminación de la sustancia, la mezcla o el envase
no presenta un peligro para la salud humana y para el medio ambiente, no será necesario el consejo.
78
Seguridad en el laboratorio
Tabla A1.4 Algunos ejemplos de prudencia
Frase
Consejo de prudencia
P201
Pedir instrucciones especiales antes del uso.
P202
No manipular la sustancia antes de haber leído y comprendido todas
las instrucciones de seguridad.
P210
Mantener alejado de fuentes de calor, chispas, llama abierta o superficies calientes (El fabricante o el proveedor especificarán las fuentes de ignición aplicables). No fumar.
P211
No pulverizar sobre una llama abierta u otra fuente de ignición.
P220
Mantener o almacenar alejado de la ropa o materiales combustibles.
(El fabricante o el proveedor especificarán los materiales incompatibles)
Tomar todas las precauciones necesarias para no mezclar con materias combustibles (El fabricante o el proveedor especificarán los
materiales incompatibles)
P221
P222
No dejar que entre en contacto con el aire.
P223
Mantener alejado de cualquier posible contacto con el agua,
pues reacciona violentamente y puede provocar una llamarada.
1.4.1. Pictogramas de seguridad
Los pictogramas son composiciones gráficas que reflejan de una forma muy sencilla e
intuitiva el tipo de peligro que lleva asociado el manejo del producto. En la tabla A1.5
se representan los pictogramas que se usaban antes (fondo naranja), y los que los sustituyen, según la normativa europea 1272/2008 CLP, pictogramas que contienen un símbolo negro sobre un fondo blanco con un marco rojo.
Tal y como vemos, la etiqueta contiene mucha información que hay que saber interpretar para usar el compuesto químico con todas las garantías.
Además de esto en los laboratorios existen las fichas de seguridad de todos los compuestos que contienen este tipo de información y que se pueden consultar siempre que
comencemos a usar un producto.
79
Análisis Instrumental. Manual de laboratorio
Tabla A1.5 Tabla con los símbolos de peligrosidad antiguos, los vigentes y su significado.
ANTIGUO
NUEVO
SIGNIFICADO
Explosivo: Pueden explotar al contacto con una llama,
chispa, electricidad estática, bajo efecto del calor, choques fricción etc.
Inflamables: Pueden inflamarse al contacto con una fuente de ignición (llama, chispa, electricidad estática, etc.);
por calor o fricción; al contacto con el aire o agua; o si se
liberan gases inflamables.
Comburentes: Pueden provocar o agravar un incendio o
una explosión en presencia de productos combustibles.
Corrosivos: Pueden atacar o destruir metales. Pueden
causar daños irreversibles a la piel u ojos, en caso de
contacto o proyección.
Gases a presión en un recipiente (gases comprimidos,
licuados o disueltos). Algunos pueden explotar con el calor. Los licuados refrigerados pueden producir quemaduras o heridas relacionadas con el frío, son las llamadas
quemaduras o heridas criogénicas.
Tóxicos: sustancias y preparados que, por inhalación,
ingestión o penetración cutánea en pequeñas cantidades
producen efectos adversos para la salud. Pueden provocar náuseas, vómitos, dolores de cabeza, pérdida de
conocimiento e, incluso, la muerte.
Xn Nocivos
Xi Irritantes
80
Producen efectos adversos en dosis altas. También
pueden producir irritación en ojos, garganta, nariz y
piel. Provocan alergias cutáneas, somnolencia y vértigo.
Seguridad en el laboratorio
ANTIGUO
NUEVO
SIGNIFICADO
Pueden ser: Cancerígenos (pueden provocar cáncer);
Mutágenos (pueden modificar el ADN de las células);
Tóxicos para la reproducción; Pueden modificar el
funcionamiento de ciertos órganos, como el hígado,
el sistema nervioso, etc., provocar alergias respiratorias o entrañar graves efectos sobre los pulmones.
N
Peligroso para el medio ambiente: presentan o pueden
presentar un peligro inmediato o futuro. Provocan efectos nefastos para los organismos del medio acuático
(peces, crustáceos, algas, otras plantas acuáticas,
etc.). Símbolo en el que no suele existir la palabra de
advertencia pero, cuando existe, es siempre:
“Atención”.
En la página web del Instituto Nacional de Seguridad e Higiene en el Trabajo, se puede
consultar todas estas frases y pictogramas.
81
Capítulo 2
Apéndice 2
Gestión de residuos
químicos
2.1. Objetivos
Conocer el procedimiento a seguir para el tratamiento de los residuos generados en un
laboratorio de química.
2.2. Pautas generales
La actividad en el laboratorio conlleva necesariamente la generación de residuos, sobre
todo de productos químicos que no pueden ser gestionados como si fueran residuos
urbanos, ya que causarían problemas de contaminación en nuestro entorno.
Por lo tanto, la descripción de cómo trabajar en el laboratorio debe contemplar la gestión de los residuos que se generan.
La gestión de estos residuos peligrosos tiene las siguientes etapas: clasificación, almacenamiento y entrega a un gestor autorizado.
Antes de comentar lo relativo a la clasificación de residuos para su tratamiento por un
gestor, es necesario dar unas pautas generales que nos permitan decidir qué es lo que se
puede desechar y qué hay que almacenar para su gestión:
83
Análisis Instrumental. Manual de laboratorio
x
Ácidos y álcalis: si son muy diluidos, pueden verterse por el desagüe con el grifo
abierto, de manera que queden muy diluidos con agua.
x
Disoluciones de iones: si se trata de productos inocuos o de pequeñas cantidades
de disoluciones diluidas de productos no especialmente peligrosos, pueden verterse por los desagües, diluyéndolos con agua. En todos los demás casos (compuestos peligrosos como las sales de cromo, plomo o mercurio), es necesario
guardar los residuos en recipientes adecuados.
x
Disolventes orgánicos: siempre deben guardarse en contenedores adecuados para ellos. Como mínimo deben diferenciarse los clorados y los no clorados.
x
Residuos sólidos: si son inocuos, se pueden arrojar a las papeleras. Si son peligrosos deben gestionarse almacenándolos, considerando que deben estar secos
para evitar que la propia humedad sea la que provoque reacciones no deseadas.
Al menos deben diferenciarse dos categorías: sólidos orgánicos y sólidos inorgánicos.
Como norma general, hay que tener presente que el mejor residuo es el que no se general, hay que minimizar la producción de los mismos, e intentar usar los productos
menos contaminantes. También hay que considerar que la gestión de un residuo
genera un impacto ambiental y tiene un coste, en este sentido es importante procesar
solo aquello que interese atendiendo a estos criterios.
Cuando se plantea un trabajo en el laboratorio, hay que prever los residuos peligrosos
que se van a generar. A continuación hay que decidir cómo se van a ir separando en
distintos contenedores. Cada uno de ellos deberá llevar una etiqueta identificadora,
que marcará la actuación a seguir por el gestor de residuos tras su retirada del laboratorio. En cada contenedor hay que indicar la fecha en que se inicia su uso, y avisar de
la necesidad de realizar su recogida bien cuando esté lleno, o antes de que pasen seis
meses desde el inicio.
2.3. Identificación y clasificación de residuos
Es importante que los estudiantes conozcan y participen en la etapa de clasificación de
residuos, ya que en un futuro próximo estos alumnos se incorporarán a la actividad
productiva. Con ese objetivo, se incluye en la figura A2.1 un ejemplo de una etiqueta
de identificación de residuos peligrosos utilizadas en la Universidad Politécnica de
Valencia. Analizaremos el tipo de información que contiene.
84
Gestión de residuos químicos
Figura A2.1. Ejemplo de etiqueta de identificación de residuos peligrosos.
En primer lugar, se asigna un grupo a los distintos residuos que vamos a generar A
título de ejemplo se incluye la clasificación en distintos grupos que se utiliza en estos
momentos en la Universidad:
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
Grupo 1: Reactivos laboratorio obsoletos
Grupo 2: Disolventes no halogenados. (Etanol, Tolueno, Xileno, Dimetilformamida, Hexano, Acetona, Acetato de Etilo, Ciclohexanona, Eter, Metanol,
etc.)
Grupo 3: Disolventes halogenados. (Cloroformo, Clorobenceno, Tricloroetileno, etc.)
Grupo 4: Ácidos inorgánicos y soluciones con metales. (Excepto Crómico y
Metales pesados)
Grupo 5: Ácidos orgánicos, sales orgánicas y peróxidos. (Oxálico, Acético,
Acetatos, etc.)
Grupo 6: Álcalis y sales inorgánicas. (Sosa, Potasa, Carbonatos, Sulfatos, Nitratos, etc.)
Grupo 7: Aceites, Grasas, hidrocarburos y combustibles
Grupo 8: Organohalogenados y Organofosforados (Pesticidas, Plaguicidas,
Biocidas; etc.)
Grupo 9: Fenoles y Compuestos fenólicos
Grupo 10: Sales, Compuestos de Hg, Cr VI y metales pesados
Grupo 11: Sustancias cianuradas
85
Análisis Instrumental. Manual de laboratorio
x
x
x
Grupo 12: Varios (amiantos, partículas metálicas, material de laboratorio contaminado, etc.)
Grupo 13: Desconocidos o altamente peligrosos
Grupo 14: Residuos de determinación de DQO
x
x
Grupo 15: Bromuro de etidio
Grupo 16: Residuos Biosanitarios y Biológicos (Agujas, Puntas micropipetas
contaminadas con material biológico, animales de experimentación, restos microbiológicos, etc.)
x
x
Grupo 17: Líquidos de revelado fotográfico (Revelador, fijador, etc.)
Grupo 18: Pilas alcalinas, salinas y acumuladores de plomo
Una vez seleccionado el grupo, en el sistema de gestión ambiental se genera la etiqueta
que corresponde al mismo. Como se puede ver en el la figura A2.2 el grupo en este
ejemplo es el Grupo 4) aparecen distintos códigos, uno de ellos. Son las frases H (en el
ejemplo, H08 y H06) que nos advierten de los peligros asociados a los productos. El
código LER (lista europea de residuos) que mediante seis dígitos identifican el tipo
de residuo. Este tipo de información se ve reforzada por los pictograma . Una vez que se tiene la etiqueta y el envase donde se va a almacenar el residuo peligroso, se pone la fecha en la que se inicia el uso, y se avisa de la necesidad de realizar su
recogida bien cuando esté lleno o antes de que pasen seis meses desde el inicio.
La información actualizada y pormenorizada la encontramos en las distintas web, en
el caso que nos ocupa en el área de medio ambiente de la UPV.
86
Capítulo 3
Apéndice 3
Ajuste por mínimos
cuadrados con una hoja
de cálculo
3.1. Introducción
Como hemos visto, muchos métodos analíticos se basan en la obtención de una recta de
calibrado en la que una propiedad medida (y) que se relaciona con una concentración
conocida (x) de una serie de patrones. La propiedad medida puede ser absorbancia,
emisión, área de picos, potencial etc.
Al efectuar la medida de una propiedad en el laboratorio se obtiene como resultado un
conjunto de valores que es conveniente exponer en forma de una tabla, en la que se
ordenan los datos en columnas. En la tabla A3.1 se muestra un ejemplo de los datos
experimentales obtenidos en la determinación de la concentración de una disolución de
permanganato mediante la medida de la absorbancia de los patrones de un calibrado y
tres réplicas de la disolución problema.
3.2. Ajuste por mínimos cuadrados mediante la hoja de cálculo
El ajuste por mínimos cuadrados de los datos x-y puede hacerse empleando las ecuaciones que aparecen en este libro, con la mayoría de las calculadoras científicas, o con
programas informáticos como la hoja de cálculo Excel (Microsoft), Numbers (Mac) o
la hoja de cálculo del LibreOffice (con licencia GNU, es decir, libre y gratuito).
87
Análisis Instrumental. Manual de laboratorio
En este apéndice se explica cómo usar la hoja de cálculo de la suite de oficina LibreOffice para la realización de un ajuste por mínimos cuadrados (si se trabaja con Excel o
Numbers el ajuste se realiza de forma muy similar).
Tabla A3.1 Datos de concentraciones y absorbancia, a 525 nm ,de 5 disoluciones patrón de permanganato y 3 réplicas de una muestra.
Disolución
Concentración
(x) (mol/L)
Absorbancia
(y)
Patrón 1
1,01·10-5
0,0232
Patrón 2
4,02·10
-5
0,0941
Patrón 3
8,05·10-5
0,1916
Patrón 4
2,01·10
-4
0,4777
Patrón 5
6,04·10
-4
1,4117
Réplica 1
¿?
0,2018
Réplica 2
¿?
0,2025
Réplica 3
¿?
0,1998
A continuación se explicará con detalle cómo se puede utilizar LibreOffice haciendo
uso de los datos que se muestran en la tabla A3.1. Cuando abrimos por primera vez el
programa LibreOffice, aparece una pantalla en la que se puede elegir el trabajo que se
desea realizar (figura A3.1); elegiremos la hoja de cálculo.
Figura A3.1. Pantalla inicial del programa LibreOffice, en la que se elige el tipo de trabajo que se
desea realizar.
88
Ajustes por mínimos cuadrados mediante una hoja de cálculo
Al entrar en el programa nos sale una hoja de cálculo en blanco como la de la figura
A3.2. Cada celda está situada en una columna y una fila. La barra de menús contiene
los típicos desplegables e iconos que aparecen en cualquier aplicación del entorno
Windows® y que nos permiten copiar, pegar, colorear el texto, etc.
Figura A3.2. Aspecto de la hoja de cálculo tras introducir los datos x-y de la tabla de datos experimentales (tabla 14.1) en columnas.
En esta hoja introducimos los datos de x (concentración en nuestro ejemplo) e y (absorbancia en el ejemplo) en columnas. En la figura A3.2 se ve que hemos introducido
los datos de ‘x’ en la columna A y los datos de ‘y’ en la columna B (filas 4 a 8). Además, se han identificado los datos de cada columna (celdas A3 y B3). Para introducir la
información hemos seleccionado con el ratón las celdas deseadas y escrito los valores
correspondientes, quedando tal como aparecen en dicha figura.
Para la representación de una gráfica a partir de los datos experimentales primero debemos seleccionar los datos que queremos representar. Para ello se usa el ratón: en
nuestro ejemplo se lleva el ratón sobre la celda A4, se presiona el botón de la izquierda,
se arrastra el ratón sobre las celdas de interés y se suelta el botón. Una vez seleccionados los datos, con el ratón se seleccionan en la barra superior la pestaña ‘Insertar’ (ver
Figura A3.3) y en el menú desplegable que aparece se selecciona la opción ‘Gráfico’.
89
Análisis Instrumental. Manual de laboratorio
Figura A3.3. Ejemplo del método de obtención de un gráfico a partir de los datos seleccionados.
Cuando se abre el asistente para gráficos, se selecciona el tipo de gráfico (figura A3.4):
a nosotros nos interesa en este caso el gráfico del tipo XY (dispersión), en particular, la
opción en la que sólo nos muestre los puntos, tal como aparece en la figura A3.4.
Figura A3.4. Selección del tipo de gráfico XY (dispersión) con la opción en la que sólo aparecen los
puntos experimentales.
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Ajustes por mínimos cuadrados mediante una hoja de cálculo
Se da, a continuación, al botón ‘siguiente’ y aparecen varias ventanas en las que se
puede poner información sobre el rango de los datos y las series de datos que queremos
que aparezcan en la gráfica, en nuestro caso, sólo una serie de datos.
Figura A3.5. Selección de los elementos de gráficos: títulos, información de los ejes X e Y, leyendas
y configuración de la cuadrícula.
La cuarta ventana que aparece está relacionada con los ‘Elementos de gráficos’ (ver
figura A3.5). En dicha figura se ve que se ha puesto un título al gráfico (‘Recta de Calibrado’), se ha configurado la ‘leyenda’, para que no aparezca, y la ‘cuadrícula’, para
que sólo aparezcan líneas en el eje de las Y. Por último, muy importante, se ha especificado qué parámetro corresponde para cada eje, y sus unidades: X es la ‘Concentración de Permanganato (M)’ e Y es la ‘Absorbancia’ (sin unidades). Por último, cuando
se da al botón ‘Finalizar’, aparece la gráfica que se muestra en la figura A3.6. El tamaño de la gráfica se puede adaptar a la hoja según nuestras necesidades.
El siguiente paso es hacer ajuste por mínimos cuadrados de los puntos sobre la misma
gráfica. Para ello, se sitúa el cursor sobre los puntos de la gráfica y se aprieta el botón
izquierdo del ratón para que todos los puntos queden seleccionados. Entonces, apretamos el botón derecho del ratón y se despliega en la pantalla del ordenador una ventana
con varias opciones: la opción que nos interesa es ‘insertar línea de tendencia’ (ver
Figura A3.7).
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Análisis Instrumental. Manual de laboratorio
Figura A3.6. Ejemplo de gráfico Absorbancia-Concentración obtenido con la opción XY (Dispersión)
Figura A3.7. Obtención del ajuste por mínimos cuadrados de los puntos.
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Ajustes por mínimos cuadrados mediante una hoja de cálculo
Cuando se hace clic en esta opción, aparece la ventana que se muestra en la figura
A3.8. En esta ventana se pueden seleccionar el tipo de regresión que se desea hacer y la
información que aparecerá en la gráfica. En nuestro caso se ha seleccionado el ‘ajuste
lineal’ y que aparezca en la gráfica la ecuación del ajuste y su coeficiente determinado
(o coeficiente de regresión). En la misma ventana, en la parte superior hay una pestaña
llamada ‘Línea’. Si se entra en esa ventana se puede elegir el color, grosor y tipo de
línea. Cuando se han seleccionado todas las características del ajuste se da al
botón ‘Aceptar’ y aparece la recta ajustada sobre la gráfica
Figura A3.8. Pantalla en la que seleccionamos el tipo regresión lineal y la información que deseamos
que aparezca en la gráfica (ecuación y R2)
En la figura A3.9 se puede ver en la gráfica aparece una línea recta que corresponde al
ajuste por mínimos cuadrados de los puntos (x,y), cuya ecuación es:
f(x) = y = 23336,4 x + 0,0024
Como la señal medida (y) es la absorbancia (A) y el término independiente (x) es la
concentración de permanganato, la ecuación se puede reescribir de la siguiente manera:
A= 2336· CMnO4- (mol/L)] + 0,0024
El factor de regresión de ajuste (R2) es 0.9999, lo que indica un muy buen comportamiento lineal de los puntos experimentales.
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Análisis Instrumental. Manual de laboratorio
Figura A3.9. Grafico XY (dispersión) con la recta ajustada, su ecuación y coeficiente.
Finalmente, cuando tenemos la recta de calibrado, la utilizaremos para determinar la
concentración en las muestras a partir de las medidas experimentales. En la tabla A3.1
aparecen los datos de absorbancia para las tres réplicas de la muestra: 0,2018; 0,2025; y
0,1998. Si sustituimos esas señales en la recta, obtendremos los valores de concentración de permanganato en dichas disoluciones de la muestra. En la tabla A3.2 se muestran los resultados de dicha operación matemática.
Tabla A3.2. Datos de concentración de permanganato en las muestras obtenidos teniendo en cuenta la
recta de calibrado (A = 2336 CMnO4- + 0,0024).
Absorbancia
Concentración MnO4(mol/L)
Muestra 1
0,2018
8,54·10-5
Muestra 2
0,2025
8,57·10-5
Muestra 3
0,1998
8,45·10-5
Si calculamos el valor medio de la concentración y su desviación estándar, obtenemos
el siguiente resultado para la concentración de permanganato en la muestra:
(8,52·10-5 ± 0,06) mol/L
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