Introducción a la química analítica

Química Analítica : La ciencia y el arte de determinar la

composición de materiales con base en los elementos o

compuestos que lo integran.

Desarrolla y mejora métodos e instrumentos para obtener

información sobre la composición y naturaleza química de la

materia.

Análisis químico:

Control de calidad de materias primas y productos acabados.

Especificaciones de calidad

Diagnóstico de enfermedades

DEFINICIONES DE ANÁLISIS QUÍMICO

Comprende un conjunto de técnicas, físicas y químicas, que se emplean

para determinar la composición de cualquier sustancia.

Consiste en la observación (aspecto cualitativo) o medida (aspecto

cuantitativo) de las propiedades de la muestra de material con el fin de

identificar y determinar las proporciones en que los mismos se hayan

presentes en la misma.

IMPORTANCIA DE LA QUIMICA ANALITICA

La Química Analítica juega un papel muy importante en la vida diaria . la sitúan

en el centro de nuestra vida diaria

Todos los productos industriales deben llegar al consumidor cumpliendo unas

especificaciones , las cuales solo se satisfacerán si el producto posee la

composición correcta ya que todas las propiedades del material dependen de su

naturaleza química.

En el caso de los productos naturales, la presencia o ausencia de ciertos

productos químicos provocara su toxicidad para el consumo

La Química Analítica también entra en el terreno de la legislación colaborando

en la elaboración de leyes que permitan proteger al consumidor, al medio

ambiente, ect. (estableciendo normas de calidad, limites tolerables de tóxicos).

Otra función es el desarrollo de técnicas y métodos de análisis que permitan la

ejecución de esas leyes

ACTIVIDADES DEL ANÁLISIS QUÍMICO EN LA SOCIEDAD :

LA INDUSTRIA

La Química Analítica desarrolla un papel vital en todas las etapas de la

producción industrial

Comienza con el control de los materiales de partida

Continua con el control de los productos intermedios

Sigue con el control de calidad del producto final

Finaliza con el control de los vertidos o efluentes

La labor del químico analítico en la industria se agrupa en 5 áreas :

1. - Análisis de rutina y estándar (laboratorio de control de calidad)

2.- Desarrollo de métodos, adaptando los ya existentes o desarrollando

otros nuevos para resolver problemas

3.- Desarrollo de técnicas , diseñando nueva instrumentación para

detectar materiales con mas sensibilidad y selectividad, con el objeto de

enfrentarse a nuevos problemas

4.- Reserva científica : Dirección o participación en proyectos I+D

5.- Resolución de problemas inmediatos, colaborando en la resolución de

problemas como quejas de clientes, dificultades en la planta , ect..

ACTIVIDADES DEL ANÁLISIS QUÍMICO EN LA SOCIEDAD

Otras actividades de la Química Analítica en la sociedad : La lista de áreas en las que el Análisis Químico ejerce su actividad es enorme.

Clínica y medicina: Ayuda a los médicos en su diagnosis Estudio de la evolución de tratamientos (determinando compuestos en sangre u orina o la concentración de ciertos medicamentos) Identificación de tóxicos

Protección del consumidor y del medio ambiente: Análisis de aguas y alimentos Niveles de sustancias peligrosas Contaminantes en vertidos industriales

Agricultura y Ganadería: Análisis de fertilizantes Determinación de tóxicos en suelos, cosechas o en animales.

Arqueología y Arte: Participación en la conservación de obras de arte

Criminología: Química forense

A la vista de la elevada presencia del Análisis Químico en las actividades de nuestra sociedad Chalmers afirma que : “ La sociedad moderna depende de la Química Analítica desde la química prenatal hasta la sepultura”

Tiempo Costo

Evaluación Económica

Exactitud

Incertidumbre

Formas de evaluar la resolución de un problema de análisis

Metodología del Análisis Químico

Definición del

problema

Elección del

método

Toma de

muestra

Transformación

de la muestra

Adquisición de

los datos

Tratamiento

de los datos

Valoración de los

resultados

Resultados

Operaciones previas Método analítico

Tipos de análisis

Análisis

Cuantitativo:

El analito se cuantifica

o determina expresando

la fracción de muestra

que lo contiene (determinación)

Separación Analítica:

Operación mediante la cual se separan o resuelven

los componentes de una muestra.

Posteriormente, en ocasiones se pueden identificar y

(o) cuantificar el analito o los analitos (multianálisis)

Cualitativo:

Elementos, iones o

compuestos se identifican

en una muestra

Métodos de Análisis

Métodos clásicos

Métodos Instrumentales

Métodos de separación

Selección del método de análisis

Debe responder a distintos criterios:

1 ¿Naturaleza del problema a resolver?

2 ¿Técnicas analíticas disponibles?

3 ¿Tipo de muestra que hay que recolectar?

* Nivel de concentración del analito

* Grado de exactitud requerida

*Componentes matriciales

•Coste del análisis

•Existencia de muestras estándar o patrón

Y tener en cuenta:

¡Las dificultades en la selección disminuye si se dispone

de estándares o muestras patrón!

Problema científico, técnico, económico o social

Problema analítico

Contaminación de un río Identificación y determinación de

contaminantes orgánicos e inorgánicos

“Doping “en los Juegos Olímpicos Determinación de anfetaminas,

hormonas, ect, en muestras de orina

Adulteración de aceite de oliva con otras grasas

Determinación de grasas vegetales y animales en el aceite

Toxicidad en juguetes Determinación de Cd en pinturas

amarillas

Antigüedad de un zircón (mineral de Th y U)

Determinación de las relaciones isotópicas de Pb en el mineral

DEFINICIÓN DEL PROBLEMA ANALÍTICO

Términos ligados al análisis:

Muestra: parte representativa de la materia objeto del

análisis.

Analito: especie química que se analiza

Técnica: medio de obtener información sobre el

analito

Método: conjunto de operaciones y técnicas aplicadas

al análisis de una muestra

Análisis: estudio de una muestra para determinar su

composición o naturaleza química

Características de calidad de los métodos analíticos

Exactitud: grado de concordancia entre el resultado y un valor de referencia

certificado.

Precisión: grado de concordancia entre los datos obtenidos de una serie.

Refleja el efecto de los errores aleatorios producidos durante el proceso

analítico.

56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68

Precisión alta

Exactitud alta

Precisión alta

Exactitud baja

Precisión baja

Exactitud baja

Precisión baja

Exactitud alta

X

X

X

X

Valor real

Formas de expresar la precisión y exactitud

Rara vez los resultados se refieren a un solo análisis de

una sola toma de muestra

Lo habitual es que se analicen 2 o 5 réplicas de la muestra,

al producirse rara vez los mismos resultados, se promedia el

resultado final (media).

La precisión se estima en términos de desviación estándar

absoluta o mejor relativa o en ocasiones mediante análisis

de la varianza.

Los errores ( falta de exactitud) se estiman como absolutos

o relativos

Los errores se clasifican en: determinados, sistemáticos

indeterminados, aleatorios

crasos, aberrantes

Causas de errores

Errores sistemáticos (determinados), presentan tres causas

posibles:

1. Errores instrumentales

2. Errores de procedimiento

3. Errores personales

Los errores de procedimiento se estiman analizando

muestras estándar

Los errores indeterminados presentan fuentes de error más

difícilmente evaluables debido a las variables implicadas en

ellos.

Son frecuentes en la determinación de “trazas”, en las que

se trabaja al límite de sensibilidad del instrumento

¡Uno y otro tipo de errores son susceptibles de un tratamiento

estadístico de datos para su aminoración!

Calidad de un método analítico

Se expresa en términos de:

Sensibilidad

Selectividad

Precisión

Exactitud

Seguridad o fiabilidad

Coste, rapidez y sencillez

Sensibilidad: Capacidad para discriminar entre pequeñas diferencias

de [ ] del analito. Se evalúa mediante la sensibilidad de calibración que

es la pendiente de la curva de calibración a la [ ] de interés.

Límite de detección: concentración correspondiente a una señal de

magnitud igual al blanco mas tres veces la desviación estándar del

blanco.

Intervalo dinámico: intervalo de [ ]s entre el límite de cuantificación y

el límite de linealidad

Selectividad: Cuantifica el grado de ausencia de interferencias

debidas a otras especies contenidas en la matriz.

Seguridad: amplitud de condiciones experimentales en las que puede

realizarse un análisis.

El objetivo básico de cualquier programa de muestreo es asegurar que la muestra

tomada sea REPRESENTATIVA de la composición del material a analizar

En la medida en que se logra que las muestras sean homogéneas y representativas,

el error de muestreo se reduce.

2.- TOMA DE MUESTRA

El programa de muestreo consta de las siguientes etapas:

1.- Estudios Preliminares

2.- Definición de los parámetros a determinar

3.- Frecuencia de muestreo y tamaño de muestra

4.- Elección de los puntos de muestreo

5.- Tipo de muestra a analizar

6.- Estado físico de la fracción que se va a analizar

7.- Propiedades químicas del material

8.- Selección del sistema de preparación, transporte y almacenamiento

9.- Reducción de la muestra a un tamaño adecuado

10.- Preparación de la muestra para el laboratorio

3.- TRANSFORMACIÓN DEL COMPONENTE EN UNA FORMA

MEDIBLE

1ª Etapa: Medida de la cantidad a analizar Necesaria para referir la cantidad del analito encontrado en el análisis a la

composición del material problema

2ª Etapa: Puesta en disolución: ataque y/o

disgregación

DISOLUCION DE

TODA LA MUESTRA

LIXIVIACION: DISOLUCIÓN DEL

ANALITO O DE LA MATRIZ

REACTIVOS

Líquidos: agua, ácidos, otros

Sólidos: fundentes

Gases :aire, oxigeno

EXTRACTANTES

Líquidos: agua, ácidos,

disolventes .orgánicos

Fluidos supercríticos

OBJETIVOS

3.- TRANSFORMACIÓN DEL COMPONENTE EN UNA FORMA

MEDIBLE

4ª Etapa : Preconcentración

Necesaria cuando la concentración del componente en la muestra es muy

baja.

3ª Etapa : Separación

Es necesaria para aislar el analito en su forma medíble de posibles

interferencias.

-Una vez recorrido parte del proceso analítico, se llega a la medida final de

una propiedad analítica de la especie a determinar, que nos dará la cantidad

real presente en la muestra .

-Cualquier propiedad medible que sea función de la concentración o cantidad

del analito sirve de base de un método para la determinación de dicho

componente.

-La medición es un proceso físico realizado por un instrumento de medida ,

que es cualquier mecanismo que convierte una propiedad del sistema en una

lectura útil.

-Las propiedades medibles son muy variadas, por lo que se dispone de una

amplia variedad de métodos analíticos

4.- MEDIDA DE LA ESPECIE A ANALIZAR

OBJETIVOS DEL TRATAMIENTO DE DATOS -Optimizar los métodos de análisis. -Comprobar el funcionamiento correcto de las etapas del proceso analítico general. -Proporcionar información satisfactoria sobre la composición del material objeto de análisis

CALCULOS E INTERPRETACION DE RESULTADOS -La Quimiometria, es actualmente la disciplina que hace uso de métodos matemáticos y estadísticos, permitiendo una mayor calidad en la información obtenida. -El análisis concluye cuando los resultados obtenidos se expresan de forma clara , de tal forma que se puedan comprender y relacionar con la finalidad del análisis

5.- TRATAMIENTO DE DATOS, CALCULOS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS

Estadística en el análisis de datos

Métodos Analíticos

Métodos químicos por

vía húmeda

( se requiere disolución

de la muestra)

Métodos instrumentales

Análisis

volumétrico

Separación Electro-

químicos

Valoración

(Titulación)

Cromatografía Potenciometría

Amperometría

Gravimetría

Precipitación

Pesada

Opticos

Emisión

Absorción

Métodos Químicos

Estudio de la Química Analítica

Análisis Volumétrico

Análisis Gravimétrico

Rxs químicas

1)

abBAbBaA

Los métodos volumétricos o de titulación son métodos de análisis

cuantitativos que dependen de una medida exacta de un volumen de

una solución de concentración conocida. Estos métodos de análisis

químicos se usan mucho por que son más rápidos y más convenientes

que otros métodos.

Titulación (titration) - es el proceso por el

cual se determina la cantidad de un

analito en una solución basándose en

una cantidad de un reactivo estándar que

este consume. En otras palabras, se hace

una titulación cuando añadimos un

reactivo de concentración conocida a la

solución de un analito hasta que éste

último reacciona de forma completa con

el reactivo. El volumen del reactivo de

concentración conocida se mide y es

utilizado para determinar la cantidad del

analito .

Método Disolución valorante (ejemplos)

Acido-base Acidos y bases de diversa fuerza

Precipitación

Ion Ag (cloruro,ioduro, tiocianato,ect)

Sales mercúricas (Se,sulfuro,ect)

Dicromato, molibdato (Pb); ect

Complejos

monodentados

Ag o Ni (cianuro); Fe (fluoruro); cianuro (Ag) Hg (yoduro);

Yoduro ( Sb,Bi) ;ect

Complejos

polidentados AEDT (Mg, Co, Cd, Zn, ect)

Oxidimetrias

Permanganato( Fe,Ca) Dicromato (Fe, Sn)

Bromato (As, Sb); Iodato (Sn, Fe)

Yoduro (Sb,Cu,Ni); Yodo (As,Hg,Cd); ect

Reductimetrias Tiosulfato (yodo); hidroquinona ( Cr,Ce,V)

Análisis gravimétrico

el análisis gravimétrico consiste en determinar la cantidad proporcionada

de un elemento o compuesto presente en una muestra, eliminando todas

las sustancias que interfieren y convirtiendo el constituyente o componente

deseado en un compuesto de composición definida, que sea susceptible de

pesarse. Los cálculos se realizan con base en los pesos atómicos y

moleculares, y se fundamentan en una constancia en la composición de

sustancias puras y en las relaciones ponderales (estequiometría) de las

reacciones químicas.

Método Forma pesable (ejemplos)

Reducción química Componentes en estado elemental (Ag,Hg,Au,ect)

Formación de precipitados

inorgánicos

Haluros (Ag,Hg), Sulfuros (Hg.Zn),Oxidos (Cu,Cr); Sulfatos (Pb,

Ca)

Carbonatos y percloratos

Formación de precipitados

orgánicos

Oxinatos (Cu,Mo,Nb,Mg)

Dimetilglioximatos (Ni y Pd)

Cupferratos(Fe, Ti,, V);

Métodos Gravimétricos

La propiedad medida es la masa

El analito se aísla en forma pura o formando un compuesto de estequiometria

definida.

Son los métodos mas exactos

Métodos Fisicoquímicos: Interacciones físicos o

instrumentales

2)

A) Cromatografía. Conjunto de técnicas de análisis basadas en la

separación de los componentes de una mezcla y su posterior

detección.

Las técnicas cromatograficas son muy variadas, pero en todas

ellas hay:

Fase móvil: gas líquido o fluido supercrítico

Fase estacionaria: sólido o un líquido fijado en un sólido

Los componentes de la mezcla interaccionan de distinta forma con

la fase estacionaria y con la fase móvil. De este modo, los

componentes atraviesan la fase estacionaria a distintas

velocidades y se van separando.

En columna

Capa fina

De gases

HPLC

B. Métodos Electroanalítico. Son métodos instrumentales de

análisis que emplean las propiedades electroquímicas de una disolución

para determinar la [ ] de un analito.

Las magnitudes electroquímicas, que puede emplear una técnica

electroanalítica son:

Potencial eléctrico

Intensidad de corriente eléctrica

Resistancia eléctrica

Carga eléctrica

Tiempo

Masa Depositada en un electrodo.

Según las propiedades medidas se distinguen una serie de técnicas

electroanalíticas:

Potenciometria

Conductimetría

Técnicas voltaamétricas

Electrogravimetria

Columbimetría

Las técnicas electroanalíticas presentan, en general, una buena

selectividad y sensibilidad, asi como un costo menor que otros tipos

de técnicas.

La potenciometría es una técnica electroanalítica con la que se puede

determinar la concentración de una especie electroactiva en una

disolución empleando un electrodo de referencia (un electrodo con un

potencial constante con el tiempo y conocido) y un electrodo de trabajo

(un electrodo sensible a la especie electroactiva).

Existen electrodos de trabajo de distinto tipo útiles para distintos cationes

o aniones. Cada vez son más usados los electrodos selectivos de iones

(ESI) o electrodos de membrana. Uno de los más empleados, que se

comenzó a utilizar a principios del siglo XX, es el electrodo de pH (un

electrodo de vidrio). Tipos de electrodos:

•Electrodo metálico

•Electrodo de membrana cristalina

•Electrodo de vidrio

•Electrodo de membrana líquida

•Electrodo de membrana polimérica

La conductimetría es un método que se utiliza para medir la

conductividad de una disolución, determinada por su carga iónica, o

salina, de gran movilidad entre dos puntos de diferente potencial. La

conductividad eléctrica es un fenómeno de transporte en el cual la

carga eléctrica (en forma de electrones o iones) se mueve a través de

un sistema.

La técnica voltamétrica es una técnica electroanalítica en las que se

aplica un determinado potencial eléctrico a un electrodo (denominado

electrodo de trabajo) sumergido en una disolución que contiene una

especie electroactiva y se mide la intensidad eléctrica que circula por

este electrodo. La intensidad medida es función del potencial aplicado y

de la concentración de la especie electroactiva presente.

Electrogravimetría

A diferencia de otro método, en la electrogravimetría es necesario que haya

una corriente eléctrica considerable a lo largo del proceso analítico. Cuando

pasa corriente en una celda electroquímica, el potencial de la celda ya no

es simplemente la diferencia entre los potenciales de los electrodos: el

cátodo y el ánodo (o potencial termodinámico). Debido a este proceso es

necesario aplicar potenciales mayores a los potenciales termodinámicos.

Este es un método de análisis cuantitativo, se basa en el fenómeno de la

electrolisis y consiste en electrolizar una solución de la muestra que se va a

analizar, la cual se deposita cuantitativamente en los electrodos de la celda

electrolítica. Esta electrolisis se realiza usando electrodos de gran superficie

en soluciones bien agitadas hasta una deposición completa. En la practica,

el electrodo sobre el que se deposita la especie electroactiva, se pesa antes

y después de la electrolisis, la diferencia de masa producida por el material

depositado conduce al resultado final.

C) Métodos Espectrométricos. Son métodos instrumentales

empleados en química analítica basados en la interacción de radiación

electromagnética (REM), u otras partículas, con un analito para

identificarlo o determinar su [ ]. Algunos de estos métodos se emplean

en otras áreas de la química para elucidación de estructuras.

Métodos

Espectroscópicos

Técnicas espectroscópicas

Técnicas no espectroscópicas

Atómica

Molecular

Técnica Excitación Relajación

Espectroscopia de

emisión atómica

calor UV-Vis

Espectroscopia de

absorción atómica

UV-Vis calor

Espectroscopia de

fluorescencia

atómica

UV-Vis

UV-Vis

Espectroscopia de

rayos X

Rayos-X Rayos-X

Espectroscopia atómica

Espectroscopia molecular

Técnica REM

Espectroscopia Infrarroja IR

Espectroscopia UV-Vis UV-Vis

Espectroscopia

Fluorescencia UV-Vis

UV-Vis

Espectroscopia Resonancia

Magnética Nuclear

Radiofrecuencias

Técnicas No Espectroscópicas

Técnica Propiedad

Polarimetría Polarización de la luz

Dispersión óptica rotatoria Polarización de la luz

Refractometria Índice de refracción

Interferometría Índice de refracción

Turbidimetría Dispersión de la luz

Nefelometría Dispersión de la luz

Espectrometría Raman Dispersión

Otras técnicas Espectrométricas

Espectrometría de masas

Difracción de Rayos X