Tema 1

Introducción

ContaminaciónIntroducción por el hombre, directa o indirectamente, de sustancias o energía en el medioambiente resultando perjudicial para la salud, recursos o que interfieran en los legítimos usos del mismoExisten diferentes formas de contaminación

– Contaminación física– Contaminación biológica– Contaminación química

Contaminación química– Introducción de sustancias químicas (insecticidas, herbicidas, PCB’s, detergentes, etc.)– Aumento en la concentración de sustancias naturales (CO2, nitratos, fósforo, etc.)

Peculiaridades de la monitorización de los contaminantes en el Medio ambiente– El medioambiente tiene carácter dinámico dispersión de los contaminantes.– Los contaminantes se localizan en la atmósfera, hidrosfera y litosfera.– La concentración puede verse afectada durante el transporte por procesos de

transferencia de fase, dilución, degradación e incluso reconcentración.– Conocer todos estos procesos permite predecir donde se encontrarán en mayor

concentración.– Los procesos que ocurren durante el transporte dependen de las propiedades físico-

químicas de los contaminantes.

1. Tipos de Contaminanteso Naturaleza orgánica

Procesos que ocurren durante su transporte son: Bioconcentración: Su baja solubilidad en agua (disminuye al aumentar Mm)

hace que sean altamente solubles en tejidos grasos de peces y mamíferos

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Prácticamente cualquier sustancia es tóxica si supera una concentración determinada (ej. NaCl, azúcar).Con objeto de conocer la magnitud del problema es necesario medir. De este modo es posible actuar para su prevención, o en su caso remediación.

Hay que asegurarse que la concentración de los contaminantes no supere una concentración preestablecida (máxima admisible) en aguas, aire o suelos (generalmente del orden de ppm o ppb).

Implica la necesidad de análisis y monitorización,papel que juega la Química Analítica.

acuáticos. Factor de bioconcentración: [compuesto en un organismo] / [agua que lo rodea]

Acumulación en sedimentos: Quedan adheridos a los sólidos debido a la elevada hidrofobicidad. Tiene lugar en los estuarios de los ríos donde se producen descargas industriales y hay finos sedimentos.

Biomagnficación: Incremento de la concentración al desplazarse el contaminante a niveles superiores de la red trófica.

Degradación: A moléculas solubles en agua, disminuyendo su concentración, debido a su metabolización en organismos vivos. compuestos de interés medio ambiental con Cl son difíciles de degradar.

Tipos: Pesticidas: Para matar o controlar organismos no deseados. Contaminan

aguas. Los aspectos esenciales son: toxicidad, persistencia y bioacumulación.

Organoclorados: DDT, Lindano, Aldrín, Dieldrín, Toxafeno. Clorofenoxiácidos: 2.4-diclorofenoxiacético y 2,4,5- triclorofenoxiacético

(agente naranja). Organofosforados: paratión, metilparatión, malatión. Carbamatos: Carbaril, Baygon.

PCBs: Fluidos de transferencia de calor y aislantes. Son los contaminantes más persistentes debido a su gran estabilidad y lenta biodegradabilidad. Presentan elevados factores de bioconcentración y toxicidad a largo plazo.

Dioxinas: Subproductos en la síntesis de pesticidas y disolventes, combustión de compuestos organoclorados. Son muy persistentes, con elevados factores de bioacumulación y son los compuestos químicos más tóxicos

Hidrocarburos: Derivados del petróleo Pueden ser: hidrocarburos saturados, insaturados, ciclo alcanos o nafténicos y compuestos aromáticos. Estos consumen oxígeno para su degradación, pueden ocasionar asfixia de algas y líquenes, toxicidad en peces y aves acuáticas, disminuyen la transmisión de luz y afectan a las características organolépticas del agua

Hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAHs): Anillos bencénicos condensados.

Origen en la combustión de hidrocarburos a Tª elevadas (> 500º C) y con insuficiente oxígeno. Presentan elevada toxicidad, persistencia y

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acumulación. Sus fuentes de emisión son: procesos industriales, fuentes móviles, procesos de combustión y generación de energía.

Bionutrientes: Compuestos con N (orgánico o inorgánico) y P. Su oxidación produce nitratos, causantes de la eutrofización.

Estrógenos ambientales: alteran el sistema reproductivo y aumentan las probabilidades de contraer cáncer. Bisfenol-A (plásticos), nonilfenol (detergentes), mestranol, levonorgestrel, norethindrone (contraceptivos orales).

Productos Farmacéuticos: Actividad biológica. Antiinflamatorios,

o Contaminantes de naturaleza inorgánicaLos productos de degradación son muy distintos de los compuestos de partida, tienen un difícil seguimiento.

Procesos que permiten prever su localización: Solubilización: Su solubilidad aumenta al disminuir el pH, lluvia acida,

lixiviación de metales pesados en el suelo, tuberías de plomo… Deposición en sedimentos: depende del pH, procesos de absorción Bioconcentración y biomagnificación: Penetran en la cadena trófica a través de

los comedores-filtradores. Quedan retenidos como iones o formando complejos organometálicos.

Destacan los metales pesados, que son muy tóxicos y no se degradan.

2. Tipos de Análisis

o Cualitativo: Identifica químicamente las especies que hay en la muestra (¿Qué hay?)o Cuantitativo: Establece la cantidad relativa especies (¿Cuánto hay?)o Estructural: Distribuye los átomos en las moléculas. Posición de grupos funcionales.

3. Términos relevantes en el análisis químico

o Muestra: Sustancia o parte de ella sobre la que se quiere obtener información analíticao Matriz: Todo lo que forma parte de la muestra excepto el analito.o Analito: Componente de la muestra sobre el que se realiza un análisis cualitativo

Analitos mayoritarios: concentración superior al 10% Analitos minoritarios: 0.01 – 10% Analitos trazas: 0.0001 – 0.01% (1 – 100 ppm) Analitos ultratrazas: < 1 ppm

La metodología analítica puede ser jerarquizada según los siguientes conceptos:

o Proceso Analítico: Conjunto de etapas que van desde el planteamiento del problema a la información final para la toma de decisiones.

o Técnica: Principio científico usado para proporcionar conocer la composición de la muestra.

o Método: Adaptación expresa de una técnica para determinar un analitoo Procedimiento: Instrucciones concretas que se deben seguir para aplicar un método. o Protocolo: Instrucciones definidas que deben ser seguidas sin excepción si el resultado

analítico ha de ser aceptado para un propósito dado. Si modificamos el protocolo debemos modificar todo el proceso. Aceptados universalmente.

4. Clasificación de las técnicas analíticas

o Técnicas clásicas: denominadas así por razones históricas.

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1 ppm = 1mg/l1 ppb = 1µg/ l

Técnicas gravimétricas: Determinan la masa de analito Técnicas volumétricas: Mide el volumen de una disolución que contiene el reactivo

suficiente para reaccionar completamente con el analito.o Técnicas instrumentales:

Técnicas ópticas: Miden de la interacción entre la radiación electromagnética y los átomos o moléculas del analito, o bien producidas por el analito.

Técnicas electroquímicas: Miden propiedades electroquímicas de las especies en disolución.

Técnicas cromatográficas: Separación y determinación simultánea de varios componentes de la muestra.

Otras Técnicas: difícil ubicación en los grupos anteriores como Espectrometría de masas, radioquímicas, térmicas.

5. Particularidades del análisis medioambiental

o El abanico de analitos es muy amplio.o Las matrices que contienen la muestra suelen ser complejas y desconocidas, pueden ser

sólidas, líquidas y gaseosas y presentar características muy diferentes.o Los analitos deben ser cuantificados en concentraciones muy bajas (trazas y ultratrazas).o Los programas medioambientales precisan de una elevada frecuencia de análisis (gran

número de muestras).o Algunos análisis solo pueden realizarse cerca del lugar de muestreo. Instrumentos

portátileso Generalmente pueden utilizarse grandes volúmenes de muestra.

Tema 2

El proceso analíticoEsquema

Definición del problema analítico Elección del método de análisis Operaciones previas Medición y transducción de la señal analítica Adquisición y tratamiento de datos Validación Informe final

1. Definición del problema analítico

o Definir el problema y los objetivos: ¿Qué hay que determinar y por qué? ¿Cuándo? ¿Dónde? ¿Qué implicaciones tendrá?...

o Definir el plan de muestreo, analitos, tipo de análisis…¿Cuál es el intervalo de concentración? ¿Qué grado de exactitud? ¿Cuántas muestras se tienen que analizar?

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2. Elección del método de análisis

o Tipos de métodos de análisis Oficiales: establecidos por ley o por regulaciones estatutarias Normalizados o Estándar: han sido estudiados por organizaciones y utilizan estudios

interlaboratorio para validarlos (ISO, UNE,…). Publicaciones científicas: recomendados por expertos Desarrollados en laboratorio: estándar u oficiales con modificaciones

o Propiedades Analíticas

Propiedades supremas (son características de los resultados analíticos) Exactitud: Concordancia la media de n resultados y el valor verdadero del

analito en la muestra; puede referirse a un resultado o a un método, en este caso se habla de sesgo. Se expresa así:

Error absoluto: valor obtenido - valor verdadero. Error relativo: error relativo / valor verdadero.

Representatividad: Concordancia de los resultados obtenidos; los resultados deben ser representativo del material que se estudia. Hay varios niveles de representatividad:

Concordancia con las distintas alícuotas analizadas en el laboratorio. Concordancia con el objeto o muestra de estudio. Coherencia con el problema analítico planteado.

Esta propiedad se basa en un Plan de Muestreo adecuado.

Propiedades básicas (son atributos del proceso analítico) Precisión: Concordancia entre los resultados obtenidos al emplear el

mismo método analítico a alícuotas de la misma muestra. Se expresa como la desviación estándar, desviación estándar relativa o varianza. Se diferencia:

Repetibilidad: dispersión de resultados de ensayos independientes, usando el mismo método en alícuotas de la misma muestra en el mismo laboratorio, por el mismo operador, el mismo equipo y en un corto intervalo de tiempo.

Reproducibilidad: dispersión de resultados de ensayos independientes, utilizando el mismo método en alícuotas de la

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misma muestra en diferentes condiciones: diferentes operadores, diferentes equipos o diferentes laboratorios.

Sensibilidad: Capacidad del método para discriminar entre concentraciones semejantes de analito. Depende de la pendiente de la curva de calibrado y la precisión.

Sensibilidad de calibración: Pendiente de la curva de calibrado, es independiente de la concentración.

Sensibilidad analítica: Pendiente de calibrado/desviación estándar de la señal analítica. (independiente de las transformaciones matemáticas, sin embargo, debe ser evaluada para todas las concentraciones que interesen).

Límite de detección: [analito] que produce una señal que puede diferenciarse estadísticamente de la señal del blanco. Xld = Xb + 3Σb

Límite de cuantificación: [analito] que produce una señal igual a la suma de la señal media producida por el blanco más 10 veces su desviación estándar.

Intervalo de linealidad: zona de la curva de calibrado en la que la pendiente (sensibilidad) es constante. El límite inferior es el límite de cuantificación.

Selectividad y especificidad: Los resultados dependen del analito. Un método selectivo responde en primer lugar al analito y está poco afectado por otras sustancias. Es específico cuando sólo responde al analito.

Robustez: resistencia al cambio cuando se varían ligeramente las condiciones experimentales.

Propiedades complementarias: Rapidez: Frecuencia de muestreo (número de muestras procesadas por

unidad de tiempo). Costes: valor económico de cada análisis.

Generales: gastos de montaje, mantenimiento del laboratorio Específicos: lo que debe pagar el cliente por la información obtenida.

Factores personales: seguridad (personal y ambiental) y comodidad.

3. Operaciones previas

Conjunto de operaciones unen la toma de muestra y la de medida

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o Toma de muestras: Selección de fragmentos de un material que son analizados químicamente. Se relaciona directamente con la representatividad de la información suministrada.

o Tratamiento de la muestra: Depende de aspectos relacionados con la muestra (estado de agregación y propiedades) y con el analito (concentración, naturaleza química).

4. Medida y transducción de la señal

La instrumentación puede ser:o Los sentidos Análisis cualitativo clásico, valoraciones volumétricas…o Instrumento: Mide señales ópticas, electro analíticas, térmicas, másicas, magnéticas…

5. Adquisición y tratamiento de los datos

Une el instrumento y los resultados expresados. La adquisición de las señales puede hacerse:o Manualmente: Ver el color de un precipitado, leer la posición de una agujao Semiautomáticamente: el instrumento genera una salida informativa (espectros,

cromatogramas…)o Automáticamente: Ordenador.

El tratamiento de los datos conlleva el significado del análisis y expresión de resultados. Generalmente implica su procesamiento matemático y un tratamiento estadístico y quimiométrico.

6. Validación

Demostración experimental de que un sistema general (proceso analítico) o particular (ej. Muestreo, toma de datos) realiza lo que se espera de él y continua haciéndolo. O También la demostración experimental y formal de que un objeto tiene unas determinadas características y continúa teniéndolas.

La validación (calidad analítica) tiene dos objetivos fundamentales: Validación intrínseca: Asegurar la calidad de la información generada. Validación extrínseca: Garantizar la coherencia entre la información generada y las

necesidades

o Tipos de errores en los datos experimentales Determinados (sistemáticos): Los resultados obtenidos son siempre mayores o

menores que el valor verdadero. Afectan a la exactitud de los resultados. Fuentes de los errores determinados

Instrumentales: Imperfecciones en los aparatos de medida. Son detectables y corregibles.

De método: Comportamiento no ideal de los reactivos. Son difíciles de detectar.

Personales: Poco cuidado, falta de atención o limitaciones personales del analista.

Efectos de los errores determinados Constantes: El error no depende del tamaño de la cantidad medida.

Afectan más a medida que disminuye el tamaño de la muestra Proporcionales: aumentan o disminuyen de manera proporcional al

tamaño de la muestra (interferentes que contaminan la muestra)

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Detección de errores determinados Instrumentales: Pueden detectarse y corregirse calibrando el instrumento. De método: Pueden corregirse utilizando:

Materiales estándar de referencia Un segundo método de análisis. Determinación del blanco (ej. valoraciones volumétricas).

Personales: Cuidado y autodisciplina

Indeterminados (al azar): Los resultados se dispersan ± simétricamente alrededor del valor medio. Afectan a la precisión de las medidas. Fuentes de los errores indeterminados

Hay un gran número de variables incontroladas que intervienen en las medida.

No se pueden identificar ni medir por su pequeña magnitud. Efecto acumulativo .

Crasos: Ocurren en raras ocasiones, son grande, aberrantes. Fuentes de los errores crasos

Personal, debidos a descuidos. Equivocaciones aritméticas, transposiciones de números en listas de datos,

invertir el signo

Como se realiza la validacióno La validación extrínseca del proceso analítico implica el contraste de los resultados con las

necesidades informativas del cliente. o La validación intrínseca de un proceso analítico puede hacerse de forma global o por

etapas, mediante la validación de los distintos aspectos analíticos (muestreo, herramientas analíticas, reactivos, equipos, instrumentos, etc.).

Validación intrínsecaSe puede llevar a cabo por distintas vías:

Análisis de varias réplicas: es la vía más simple para comprobar que un método funciona correctamente. Consiste en realizar análisis repetidos a partir de muestras diferentes (no alícuotas de la misma muestra). Garantiza la ausencia de errores de muestreo probablemente personales, pero no de método.

Estudios de recuperación: Consiste en añadir a la muestra el analito en concentración conocida y similar a la que se espera encontrar en la muestra. Recuperaciones cercanas al 100% indican la ausencia de errores sistemáticos.

Comparación con métodos alternativos: Comparación con otros laboratorios: Procedimiento caro, complicado y consume

mucho tiempo. Suelen utilizarse para autocontrol de la calidad del laboratorio o para estimar en un material el valor verdadero de un analito.

Uso de materiales de referencia certificados (CRMs): Aplicar el método propuesto al material de referencia y comparar el valor obtenido con el valor de referencia.

Material de referencia certificado: material donde se han certificado los valores de una o más propiedades mediante un procedimiento tal que permite:

a) Establecer su trazabilidad con respecto a la unidad en que se expresa cada propiedad.b) Asignar a cada valor certificado una incertidumbre asociada a un determinado nivel de

probabilidad, todo ello, convenientemente documentado.

7. Informe final

La última etapa del proceso analítico en la que se presenta un informe final con los resultados obtenidos. Debe justificar con documentos de todas las etapas realizadas y ser coherente y responder a la información.

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Tema 3

El proceso analítico IIAnálisis cualitativo (Respuesta binaria)

Consiste en la respuesta alternativa SI / NO. Se dan respuestas a preguntas del tipo: ¿Está o no está contaminado? ¿Hay o no un aditivo prohibido? ¿Existe presencia de trazas de pesticidas en alimentos? ¿Está o no dopado un atleta?...Hay 4 niveles de complejidad de la respuesta binaria que dependen del nivel de información que se obtiene.

o Connotaciones cuantitativas de la respuesta binariaComparar concentraciones de analito, necesita referencias:

Límite de detección Concentración de corte (cut-off): Decidida por el analista, establece un nivel de

probabilidad para garantizar que la respuesta binaria sea correcta. Concentración límite o umbral: nivel máximo o mínimo establecido por el cliente o

la legislación para decidir si la muestra tienen una determinada calificación (tóxica o no…)

o Propiedades analíticas de la respuesta binariaLa intensa relación entre la exactitud y precisión da lugar a una nueva propiedad:

Fiabilidad: % de aciertos de los ensayos realizados en alícuotas de la misma muestra.

o Errores en la respuesta binaria Falsos positivos: Se aceptan como positivas muestras que no lo son, sino que son

blancos. Falsos negativos: Se aceptan como negativas muestras que son positivas. Es más

peligroso.

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Tema 4

Toma y tratamiento de muestras

1. Toma de muestras

Objetivo: Tomar porciones de material que pueda analizarse en el laboratorio.

o Aspectos que influyen en la Representatividad: Estado físico de la muestra: Homogeneidad (mayor en líquidos y gases). La

heterogeneidad de los sólidos depende del tamaño de partícula y del grado de pureza.

Heterogeneidad del lugar de toma de muestras. Número y tamaño de porciones tomadas. Desconocimiento de la estructura de la población. Conocimiento y control de factores distorsionadores: Cambios por exposición al

aire, luz, humedad durante la toma de muestra, transporte o conservación).

o Diseño de un plan de muestreoProceso para seleccionar, tomar, preservar, transportar y preparar las porciones que se han separado de la población

Definición de objetivos. Selección y definición del lote de muestra, analitos y método analítico Establecimiento del método y procedimiento operativo de la toma de muestra Establecimiento de las etapas de pre-tratamiento de la muestra. Redacción del protocolo final

o Estrategias de la toma de muestras Criterios no probabilísticos: Se basan en el conocimienro de la zona, implica pérdida

de exactitud (resultados sesgados). Criterios probabilísticos: todos los componentes del lote tienen la misma

probabilidad de ser tomados. Aleatoria: al azar Sistemática: en intervalos de tiempo y espacio y definidos en el plan de

muestreo. Estratificada: el lote de muestra (heterogéneo) se divide en grupos

homogéneos. Dentro de cada estrato se aplicarán los criterios anteriores, predomina el aleatorio.

o Métodos y equipos para la toma de muestras

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Muestras sólidas (elevada heterogeneidad) Materia particulada en movimiento: Ej. Cintas transportadoras Materia particulada estática: Ej. Sondas en sección vertical u horizontal. Materiales compactados: Ej. Sondas con taladros, barrenas.

Muestras líquidas Sistemas abiertos en movimiento: (océanos, ríos, estuarios, afluentes

industriales). Ej. Botellas toman la muestra a una profundidad determinada. Sistemas cerrados en movimiento: (canalizaciones o tuberías de industrias). Almacenados en contenedores cerrados: Ej. Cestas de botellas o contenedores

de embolo para la toma de muestra a distintas profundidades. Estáticos en sistemas abiertos: (lagos o embalses). Suelen utilizarse estaciones

automatizadas. Muestras de gases: Falta de representatividad por su gran extensión y los efectos

provocados por fenómenos naturales (lluvia, viento…) Se usan captadores activos que succionan la muestra de aire que atraviesa filtros. Requiere monitorización continua

Muestras biológicas: Combinación de gaseosas, líquidos y sólidos (aire, orina y pelo). Los protocolos de toma de muestra están normalizados.

2. Pretratamiento de la muestra.

Operaciones físicas antes del análisis o tratatmiento

o Secado de la muestra: El agua en muestras sólidas, suele provocar resultados erróneos. Puede producir alteraciones de la matriz. El contenido de humedad puede alterarse por condiciones atmosféricas, hay que

cuantificarlo o eliminarlo antes del análisis.El secado se realiza con el empleo de hornos y liofilización.

o Trituración y homogenización: El objetivo es garantizar la representatividad, cuanto más heterogénea es la muestra mayor importancia tiene la etapa de trituración.

Trituradores para muestras sólidas: rodillos, de cono, de bolas. Trituradores para muestras blandas: picadores, molinillos, etc.

o División y submuestreo: Implica elegir una porción de la muestra para realizar el análisis. Muestras sólidas:

Métodos manuales: del cono y cuarteamiento Métodos automáticos: cuarteador mecánico o divisor continuo rotatorio

Muestras líquidas: Agitación, centrifugación o filtración.

3. Almacenaje y transporte

Gran importancia para el análisis, ya que se puede variar la concentración y composición de los analitos.Tanto las condiciones de almacenaje como el tipo de contenedor se elegirán en función de la naturaleza de la muestra. Los contenedores pueden ser de naturaleza

o Polimérica: polietileno, polipropilenoo Cerámicos: cuarzo, cristal, porcelanao Metálicos : platino, aluminio, acero inoxidable

Tema 5

Preparación de la muestra

Compuestos orgánicos:

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Implica someter a la muestra a procesos físico-químicos para eliminar sustancias interferentes.

o Problemática inherente al análisis de compuestos orgánicos: Compuestos por C, H, O, N y, en algunos casos, S y halógenos. La composición

química no es específica de una sustancia. Sólo lo es su estructura. El método de análisis no debe alterar el compuesto, o si lo hace debe ser de forma

controlada. Conocimiento del analito y matriz. Hay pocos detectores y son poco específicos.

o Etapas en la preparación de la muestra:

I. Extracción: Separación del analito de la matriz. Difícil conocer sus eficacia. Extracciones sucesivas: Disolvente adecuado sucesivamente, comprobar la

presencia del analito en cada extracción. Muestras enriquecidas: Añadir una cantidad conocida de analito a la muestra y

evaluar la eficacia de la extracción, comparando la cantidad de analito determinada con la añadida.

II. Limpieza: Se extrae analito y otras sustancias que hay que eliminar, peligro de perder analito.

III. Preconcentración: Porque muchos analitos están a niveles traza. Cuidado con volátiles.

1. Extracción

La muestra se pone en contacto con un extractante para debilitar las interacciones analito- matriz e incrementar las interacciones analito- extractante. La mayor parte de las técnicas analíticas requieren el analito en disolución. Para ello, si son:

Muestras sólidas, se emplea un líquido para separar el analito de la muestra. Muestras líquidas, se realiza la preconcentración del analito, cambio de disolvente o

limpieza de interferentes.

o Extracción sólido-líquido

Muy usado con muestras sólidas. Contacto entre la muestra y un disolvente adecuado.Objetivo: obtener la mayor cantidad posible de analito y la mínima de interferentes Depende de: disolvente, temperatura, presión y tiempo.

Agitación: Proceso sencillo, laborioso (necesita filtración del extracto y evaporación del disolvente) que requiere elevados volúmenes de disolventes tóxicos.Para interacciones más intensas puede utilizarse radiación de ultrasonidos que provoca la vibración de las moléculas aumentando la eficacia de los choques entre ellas.

Extracción Soxhlet (1879): Se utiliza cuando las interacciones analito-matriz son más intensas. La mezcla disolvente/muestra se calienta de forma continua, inconvenientes, el largo tiempo de extracción (12- 48 h) y el elevado volumen de disolventes orgánicos empleados (300-500 mL); además no puede utilizarse para analitos termolábiles.

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El solvente se evapora y sube hasta la cámara de condensación, por donde circula agua fría

(refrigerante); aquí se condensa y cae a la cámara con el sólido, donde interferirá con este, se acumula aquí y cuando alcanza el nivel de la válvula vuelve al matraz inferior. Este continúa calentándose y vuelve a destilarse durante varias horas de forma cíclica y continua.

Es el método más utilizado y de referencia de todas las técnicas de extracción actuales. Destaca su uso en la extracción de grasa (lípidos y fosfolípidos) en alimentos (galletas, leche, carnes y pescados).

Extracción con microondas: Alternativa a la extracción Soxhlet con un calentamiento más rápido y eficaz. La muestra se coloca en un recipiente (abierto o cerrado) junto al disolvente y se somete a la radiación. Posteriormente el extracto se debe filtrar. La energía microondas es absorbida por moléculas con momento dipolar permanente produciendo su rotación, siendo esta rotación la responsable del calentamiento de la muestra. Los disolventes, generalmente son mezclas hexano-acetona. Tiempos de 30 min. a 1 h, utiliza volúmenes de disolvente de 25-50 mL y se pueden procesar muchas muestras a la vez. Se usan para la determinación de PAHs, fenoles y pesticidas organoclorados, organofosforados y triacínicos en distintos tipos de muestras (suelos, sedimentos, etc.)

Extracción acelerada con disolvente (1994): Usa disolventes orgánicos a alta P y T (200º y 20Mpa), unos 15 y 40 mL durante 10-15 min. No necesita filtración. Se usa para la extracción de PAHs, bifenilos policlorados, dioxinas, organofosforados y organoclorados en suelos, lodos, sedimentos, etc.

o Extracción líquido-líquido

Es una de las técnicas más utilizada para la extracción, preconcentración y limpieza de muestras líquidas. Consiste en la transferencia de analitos de la muestra al disolvente líquido inmiscible. Se alcanza el equilibrio:

La fracción de analito extraída se calcula por:

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La constante de distribución es diferente para cada analito y pareja de disolventes.

Ventajas: Se pueden combinar variables (pH, fuerza iónica, utilización de mezclas de disolventes) para aumentar la selectividad.

Inconvenientes: Formación de emulsiones, elevados volúmenes de muestra, disolventes tóxicos e inflamables, riesgo de pérdidas y contaminación son algunas limitaciones. Por otro lado es una técnica cara, lenta y tediosa. Hay que repetir el proceso varias veces

o Extracción en fase de vapor:

Técnicas basadas en el reparto de los analitos entre la muestra (sólida o líquida) y una fase gaseosa. Determina a niveles de trazas y ultratrazas en volátiles.Ejemplos: hidrocarburos clorados en aguas, aromas en alimentos, esencias en perfumes, compuestos de azufre, óxidos de nitrógeno, etc.

Espacio de cabeza (head space): Los analitos extraídos son aislados mediante una jeringuilla de CG (estático) o utilizando una corriente de gas inerte (dinámico), luego se lleva el gas al cromatógrafo. La T suele ser de 25 a 30º C. Presenta una gran sensibilidad

Métodos de purga: Semejante al espacio de cabeza dinámico. El gas inerte (nitrógeno, argón, helio…) burbujea en la muestra arrastrando los compuesto volátiles. Los analitos extraídos son retenidos en una trampa criogénica o sorbente adecuado. Sistemas cerrados (closed-loop stripping analysis). El gas recircula

continuamente a través de la muestra y la trampa durante un tiempo determinado.

Sistemas abiertos (purge and trap). El gas se libera a la atmósfera tras su paso por la trampa. Evita la contaminación del sistema y favilita su acoplamiento a la cromatografía de gases.

o Extracción en fase sólida

Basada en la diferente afinidad del analito (o la matriz) por una fase sólida o por la propia muestra líquida (o el extracto obtenido). Al hacer pasar la muestra a través de la fase sólida algunos compuestos quedarán retenidos en ella y otros pasarán inalterados. Si los analitos de interés han quedado retenidos podrán ser diluidos con un pequeño volumen de disolvente. Es muy adecuada para:

Eliminación de interferencias Preconcentración de analitos Cambio de fase Conservación y transporte de la muestra

Extracción con cartuchos: La fase sólida está colocada en un cartucho de vidrio o polietileno sobre la que se pasa un determinado volumen de muestra quedando retenidos los analitos.

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Capacidad del sorbente: es la máxima cantidad de analito (y compuestos interferentes) que puede ser retenida en una determinada cantidad de sorbente.

Volumen de ruptura: es el volumen máximo de muestra que puede hacerse pasar a través del sorbente sin que se produzcan pérdidas de analito.

Microextracción en fase sólida: Puede llevarse a cabo en espacio de cabeza (para volátiles en muestras líquidas y sólidas) o por inmersión directa de la fibra en la muestra (líquida o extractos orgánicos de muestras sólidas).

Grupos funcionales de los sorbentes:

o Apolares: para la preconcentrar y limpiar compuestos orgánicos presentes en muestras líquidas polares. Los más utilizados son los alquil-sílicas (C18, C8…). Los analitos orgánicos interaccionan con la fase sólida mediante fuerzas de Van der Waals e interacciones hidrofóbicas quedando retenidos. Se eluyen con 1-10 mL de disolvente orgánico (metanol, acetonitrilo…).

o Polares: para purificar extractos orgánicos. Los más utilizados son el gel de sílice (SiO2 – H2O) y alúmina (Al2O3 – H2O). Disolvente y analitos compiten por los sitios activos de adsorción del sorbente. Mediante una adecuada selección de disolventes (de menos a más polar) se pueden eluir de forma diferencial los interferentes de los analitos.

o Intercambiadores iónicos: para preconcentrar compuestos orgánicos iónicos o fácilmente ionizables. EL sorbente son partículas de sílice rodeadas de aminas + o grupos carboxilos n -, se realiza a un pH en el que el analito esté en su forma iónica para ser retenido por el sorbente. Los materiales poseen distinto tamaño de poro para permitir la separación en función del tamaño molecular. (Exclusión molecular)

o Sorbentes de exclusión molecular: para separar compuestos orgánicos en función de su tamaño molecular. Poseen poros en los que solo pueden penetrar las moléculas pequeñas.

o Sorbentes de afinidad: extraen selectivamente un determinado compuesto. Están compuestos por un soporte inerte (resina, gel, sílica, etc.) sobre el que se inmoviliza un anticuerpo, enzima u hormona con los que interacciona su correspondiente antígeno, substrato o receptor .

Compuestos Inorgánicos

o Preparación de la muestra para la determinación de analitos inorgánicosLa mayoría de las técnicas de análisis requieren disponer de la muestra en disolución.

Muestras sólidas: transformación en fase líquida Disolución total: destrucción de la materia orgánica o de otros constituyentes

de la matriz que puedan interferir en la recuperación del analito. Vía húmeda Fusión Vía seca

Lixiviación: no es necesaria la disolución completa de la muestra

Muestras líquidas: eliminación de partículas en suspensión y materia orgánica Filtración Centrifugación Mineralización Extracción

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1. Disolución por vía húmeda (disolución total)

Transformación de la muestra sólida en fase líquida

o Sin reacción química: disolver sales y compuestos inorgánicos en agua o disoluciones reguladoras.

o Con reacción química: para la mayor parte de las sustancias. Reactivos en orden creciente de complejidad:

Ácidos diluidos (en frío o en caliente) Ácidos concentrados (en frío o en caliente) Mezclas de ácidos Ácidos más otros agentes

Procesos ácido-base y de formación de complejos. Sirven para determinar metales pesados.

2. Descomposición por fusión (disolución total)

Para compuestos resistentes a la disolución por vía húmeda.

o Presenta gran efectividad por: La elevada temperatura (hasta 1200ºC) La elevada capacidad de disolución de los electrolitos fundidos(disolventes muy

enérgicos) El comportamiento como ácidos o bases o como reactivos redox de los electrolitos.

o Limitaciones: Elevada viscosidad del fundido (disminuye la velocidad de difusión delos iones) Formación de productos insolubles en la interfase

o Tipos de fusiones: Carácter acido-base:

Fusiones alcalinas: carbonatos, hidróxidos y boratos. Fusiones acidas: disulfatos, fluoruros, oxidos de boro.

Carácter redox: Fusiones oxidantes: agentes alcalinos + oxidantes, peróxidos. Fusiones reductoras: fundentes alcalinos + reductores, sulfuro y alcalinos

3. Mineralización por vía seca (disolución total)

Para eliminar de la materia orgánica y disoluir el residuo por tratamiento con ácidos. Se realiza en horno a elevadas temperaturas y se aplica a muestras complejas del tipo de alimentos, biológicas, etc.

4. Lixiviación (sin disolución total)

Para conocer la disponibilidad biológica y físicoquímica del analito (toxicidad) en muestras de suelos Implica extracciones secuenciales con distintos reactivos y diferentes condiciones.

5. Filtración (muestras liquidas)

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Elimina las partículas en suspensión. La eficacia del proceso depende del tamaño de poro del filtro, el aparato de filtración y el procedimiento utilizado. Se suelen utilizar filtros de celulosa de 0.45 um.

6. Centrifugación (muestras liquidas)

Separación de fases en muestras líquidas. Las condiciones se deben seleccionar en función del tamaño de las partículas en suspensión.

7. Extracción (muestras liquidas)

Separación del analito del resto de la matriz. Mejora la sensibilidad mediante la preconcentración de analitos Mejora la selectividad mediante la eliminación de interferencias Favorece la detección de analitos en el nuevo medio donde se encuentran

o Extracción líquido-líquidoo Extracción en fase sólidao Extracción con fluidos supercríticos

8. Especiación

Necesitamos conocer las concentraciones de los analitos inorgánicos. Su importancia está relacionada con la relaccion entre la forma química y su toxicidad, ya que algunos compuestos de un mismo elemento pueden ser inocuos y otros altamente tóxicos (formas organometálicas).Es una tarea compleja debido a:

Se ha de conservar la forma química de las especies durante el tratamiento de la muestra.

Son necesarias técnicas de elevada sensibilidad (trazas) Carencia de patrones comerciales y materiales de referencia. No se conoce la estabilidad de las distintas especies en disolución.

o Muestras líquidas: Tratamiento mínimo con el objetivo de discriminar las especies de interés. Los procedimientos habituales incluyen la extracción en fase sólida, cromatografía de gases o HPLC seguida de detectores atómicos o de masas.

o Muestras sólidas: Las especies han de pasar a la disolución sin transformación química. Sólo pueden utilizarse técnicas de separación/disolución blandas como extracciones secuenciales con disolventes o digestiones enzimáticas.

Ejemplo para los compuestos organoplúmbicos Extracción de las especies más abundantes con disolventes orgánicos tipo hexano o

benceno. Concentración de los extractos mediante evaporación controlada del disolvente. Formación de los derivados más volátiles de las especies iónicas. Separación mediante cromatografía de gases. Detección por varios tipos de detectores.

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Tema 6

Métodos clásicos de análisis

Basados en leyes que se materializan en ecuaciones matemáticas:Gravimétricas: instrumento balanza Mide masaVolumétricas: instrumento bureta Mide volumen

Volumetrías: La reacción tiene que ser completa y rápida. La muestra se sitúa en Erlenmeyer y el reactivo valorante en una bureta.

o ValoracionesTécnica analítica basada en una reacción química (reacción de valoración), en la que se determina la cantidad de analito presente en una muestra, por adición de una cantidad conocida de otra sustancia (valorante), en presencia de un sistema que permita identificar (indicador) en que momento se ha consumido la totalidad del analito por adición de la cantidad estequiométrica de valorante (punto final).

Cuando se determina el volumen de disolución valorante gastado = VOLUMETRÍA

Tipos de valoraciones (según la naturaleza de la reacción de valoración) Ácido-base : HCl + NaOH NaCl + H2O Formación de complejos : Ca2+ + EDTA Ca-EDTA2-

Precipitación : AgCl Ag+ + Cl- Redox : 5C2O2-4 + 2MnO4- + 16H+ 10CO2 + 2Mn2+ + 8H2O

Requisitos de las reacciones de valoración Estequiometría definida. Constante de equilibrio elevada. Debe ser rápida, necesarios catalizadores o elevar la temperatura. Indicadores del punto final Selectividad.

Procedimientos de valoración Valoración directa: Se añade valorante hasta la reacción completa. La reacción

debe ser: estequiométrica, cuantitativa, rápida, selectiva y con indicadores del punto final.

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Valoración por retroceso: Se añade al analito en exceso medido del reactivo valorante. Este exceso se determina mediante un nuevo valorante. La reacción no cumple alguno de los requisitos anteriores.

Valoración indirecta: El analito no reacciona directamente con el valorante. Hay una reacción auxiliar del analito por la que se produce una cantidad estequiométrica de un tercer reactivo, que es el que se valora con la disolución patrón.

Términos: Patrón primario: pureza 99,9%. No se descompone, no es higroscópico, estable

al calor, soluble en medio de reacción, masa relativa elevada. Ej: AgNO3, Na2CO3.

Patrón secundario: no cumple las condiciones del patrón primario. Se estandariza con un patrón primario. Condiciones: concentración cte, reacciona de forma completa, rápida, selectiva y sencilla. Ej: NaOH, HCl.

Reactivo valorante: se prepara a partir de un patrón primario en disolución (concentración exacta conocida). Si no hay un patrón primario se usa un patrón secundario.

Sistema indicador del punto final: Visuales: origina un cambio brusco perceptible (color, turbidez, precipitado,

etc.) Instrumentales: cambio en magnitud físicoquímica del analito, valorante o

producto de reacción que se monitoriza con un instrumento.

Punto de equivalencia: punto de una valoración en el que la cantidad añadida de reactivo valorante equivale exactamente a la de analito (proporción estequiométrica). Es un punto teórico que no se puede determinar experimentalmente.

Punto final: punto de una valoración en el que se produce un cambio físico asociado a la condición de equivalencia química. depende del sistema indicador utilizado.

Error de valoración: diferencia de volumen entre el punto de equivalencia y el punto final. Es la combinación de tres errores independientes: Error químico: el punto final puede no coincidir con el punto de

equivalencia. Error de discriminación visual: limitación del ojo humano. Error del indicador: consume una pequeña cantidad de valorante para

poner de manifiesto el punto final.

o Valoraciones ácido-base

Procedimiento rápido y útil para el análisis cuantitativo de sustancias con propiedades ácidas obásicas.Consiste en determinar el volumen añadido de reactivo valorante equivalente a la cantidad de ácido o base presente. El reactivo valorante será un ácido fuerte para la determinación de bases y una base fuerte para la determinación de ácidos.

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Ácido1 + base2 ↔ base1 + ácido2

Curva de valoración: Es la representación gráfica de pH en función de la cantidad de reactivo valorante añadida. Para evaluar la exactitud de la determinación, elegir el indicador más adecuado o mejorar las condiciones experimentales de la valoración.Se descompone en 4 zonas

1. Punto inicial (antes de añadir valorante)2. Antes del punto de equivalencia (zona con defecto de valorante)3. Punto de equivalencia4. Después del punto de equivalencia (zona con exceso de valorante)

o Calculo de pH de ácidos y bases

Ácido fuerte: Se describen las reacciones y constantes implicadas y se aplican los balances de masas, cargas o protónicos.

Reacción ácido base

Autoprotolisis del disolvente

Balance de masas

Balance de cargas y protónico

Considerando el balance de cargas y teniendo en cuenta que [Cl-]=CHCl

Simplificando y teniendo en cuenta que [OH-] es muy baja ya que tenemos una disolución de un ácido:

(Concentración analítica de HCl) Base fuerte: Se describen las reacciones y constantes implicadas y se

aplican los balances de masas, cargas o protónicos.

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1 2

3

4

Defecto de valorante

Exceso de valorante

Reacción ácido base

Autoprotolisis del disolvente

Balance de masas

(Está totalmente disociada)

Balance de cargas y protónico

Combinando las ecuaciones correspondientes al balance de cargas y de masas se obtiene la expresión

Simplificando y teniendo en cuenta que [H3O+] es muy pequeña ya que tenemos una disolución de una base:

(Concentración analítica de NaOH)

Ácido débil

Reacción ácido-base

Constante de acidez

Autoprotolisis del disolvente

Balance de masas

Balance de cargas y protónico

o Desarrollo de las expresiones que permiten calcular el pH de la disolución:

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En primer lugar se va a expresar la concentración de [A-] en función de la constante de equilibrio y la concentración analítica del ácido. Para ello despejamos [HA] de la constante de equilibrio

Sustituimos [HA] en el balance de masas

Despejamos [A-]

Valor de [A-] en el equilibrio

En segundo lugar, teniendo en cuenta el balance de cargas y sustituyendo sus términos [A-] y [OH-] en función de los desarrollos anteriores

Simplificando y teniendo en cuenta que es un medio ácido, la [OH-] será despreciable en el balance de cargas por lo que

Se puede hacer otra simplificación teniendo en cuenta que para un ácido débil [H3O+] + Ka puede reducirse a [H3O+] con lo que la ecuación anterior queda

Base débil

Reacción ácido-base

Constante de acidez

Autoprotolisis del disolvente

Balance de masas

Balance de cargas y protónico o Desarrollo de las expresiones que permiten calcular el

pH de la disolución:

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En primer lugar se va a expresar la concentración de [HB+] en función de la constante de equilibrio y la concentración analítica de la base. Se sigue la metodología utilizada en el caso de un ácido débil

Valor de [HB+] en el equilibrio

En segundo lugar, reemplazando los términos de la expresión del balance protónico

Simplificando y teniendo en cuenta que en una disolución de una base se cumplirá que [H3O+] << 10-7 se tendrá que [HB+] = [OH-] lo que según la ecuación anterior implica

Se puede hacer otra simplificación teniendo en cuenta que en una disolución de base débil generalmente se cumple que Ka >> [H3O+] lo que implica que [H3O+] + Ka puede reducirse a Ka y por tanto

o Indicadores ácido-baseGeneralmente es un ácido débil que presenta el siguiente equilibrio: HIn + H2O ↔ In- + H3O+

La especie HIn tiene un color diferente al de la especie In-, lo que origina un cambio de color en función del pH. La constante de equilibrio, denominada también constante de disociación del indicador se puede expresar como:

Que puede también puede escribirse como:

Intervalo de transición o zona de viraje: región de la escala de pH en la que el indicador manifiesta su cambio de color.

Se observa el color de la forma disociada si

Se observará el color de la forma molecular si

Se observará un color que es la mezcla de los colores siSolo podemos usar un indicador cuyo intervalo de viraje esté alrededor del punto de equivalencia del analito. En el caso de un acido o base fuerte (analito) está próximo a 7. Cuanto Mayor as la concentración del acido, mayor es el intervalo de viraje. Cuanto mayor sea el intervalo, menos sensibilidad tendremos en al valorar

23

de donde

Página 8 apuntes

o Curvas de valoración: las usamos para valorar que indicador usamos y en que concentración.

Valoración de un ácido fuerte: Se utiliza como ejemplo la valoración de HCl de concentración CHCl con NaOH de concentración Cvalorante

HCl + NaOH → NaCl + H2O

Punto inicial: Sólo está presente la cantidad inicial de ácido, por lo que el pH es el correspondiente a una disolución de ácido fuerte.

[H3O+] = CHCl

Zona antes del punto de equivalencia: En esta zona se adicionan cantidades de valorante inferiores a la cantidad correspondiente a la neutralización del ácido inicial. El pH depende de la concentración de ácido no neutralizado.

Punto de equivalencia: En este punto la cantidad de valorante añadido es estequiométricamente equivalente a la cantidad de analito. El pH es neutro e independiente de las concentraciones de analito y de base utilizada como valorante.

[H3O+]=[OH-]=10-7

Exceso de valorante: Después del punto de equivalencia, las siguientes adiciones de valorante no podrán ya neutralizar al analito, por lo que el pH depende del exceso de valorante añadido.

Valoracion de una base fuerte: Se usa el mismo desarrollo anterior, la curva es inversa y usamos como valorante acido fuerte.

Valoración de un ácido débil: Se utiliza como ejemplo la valoración de CH3COOH de concentración CCH3COOH y pKa = 4.75 con NaOH de concentración Cvalorante

CH3COOH + NaOH → NaCH3COO + H2O

Punto inicial: Sólo está presente la cantidad inicial de ácido, por lo que el pH es el correspondiente a una disolución de ácido débil.

Zona antes del punto de equivalencia: En esta zona coexisten las formas protonada y disociada del ácido, lo que constituye una zona tamponada. El pH de esta zona se calcula utilizando la expresión de Henderson-Hasselbalch:

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Punto de equivalencia: En el punto de equivalencia la cantidad de NaOH añadida es estequiométricamente equivalente a la cantidad de ácido acético. El pH depende de la especie resultante NaCH3COO (todo el ácido acético se ha transformado en acetato sódico). Por tanto, el cálculo de pH es idéntico al de una disolución de base débil.

Exceso de valorante: Después del punto de equivalencia la variación de pH depende únicamente del exceso de valorante añadido.

En esta región la curva de valoración de un ácido débil coincide con la de un ácido fuerte.

Valoracion de una base débil: Se usa el mismo método que con el anterior, la curva es inversa y el valorante es un acido fuerte

o Valoraciones de formación de complejos

Basadas en el equilibrio de formación de complejos de un ión metálico y el ácido etilendiamino tetracético (EDTA). El EDTA es un ligando poliaminocarboxílico polidentado que contiene 4 hidrógenos disociables.El equilibrio de formación que tiene lugar y la constante de formación son:

Las curvas de valoración representan el logaritmo cambiado de signo de la concentración del ión metálico, frente al volumen de EDTA añadido.

o Indicadores metalocrómicos

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La estequiometría del EDTA con los iones metálicos es 1:1

Basados en los cambios de color debidos a cambios en el valor de pM en la disolución. Son colorantes que poseen varios grupos dadores de electrones (bases orgánicas) de forma que son capaces de formar complejos quelatos con el ión a valorar.

El pH ejerce influencia considerable sobre estos indicadores, debido a sus propiedades ácido-base. El método no es selectivo, pero el EDTA reaccionará con catión u otro según el pH.

Análisis instrumentalo Instrumentos de análisis

Transforman la información relacionada con las propiedades físicas o químicas del analito en información que pueda ser manipulada e interpretada por un ser humano. Nos proporcionan información analítica.

o Análisis InstrumentalPor contraposición a la división tradicional en técnicas clásicas e instrumentales, se pueden definir estas últimas como aquellas basadas en interacciones materia-energía, y que extraen la información analítica mediante la utilización de instrumentos diferentes a la balanza y la bureta. Presentan una serie de características como son:

Mayor precisión en los análisis. Elevada sensibilidad. Mayor selectividad. Gran rapidez. Por lo general son métodos no destructivos. Adaptables a instrumentos de registro gráfico. Posibilidad de automatización y miniaturización. Menor intervención humana pero mas especializada. Instrumentación sofisticada y costosa en muchos casos.

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Página 9 apuntes.Ejercicios

o Clasificación Técnicas analíticas

Ópticas: Basadas en la interacción de la REM con la materia Electroanalíticas: Basadas en las propiedades electroquímicas de las especies

en disolución

Otras técnicas: Engloba aquellas técnicas no clasificables en los grupos anteriores

Técnicas de separación

Cromatográficas Electroforéticas

o Técnicas ópticas Espectroscópicas: basadas en un intercambio de energía entre la REM y la materia.

Absorción Atómica: espectrometría de absorción, rayos X Molecular: UV-visible, IR, microondas

Emisión Atómica: espectrometría de emisión, fotometría de llama, fluorescencia de

rayos X, fluorescencia atómica Molecular: luminiscencia

No espectroscópicas: basadas en la interacción entre la REM y la materia que implica cambios en la dirección o las propiedades fisicas de la REM Dispersión: turbidimetría, nefelometría Refracción: refractometría, interferometría Difracción: rayos X, electrones Rotación óptica: polarimetría, dicroismo circular

o Técnicas electroanalíticas Métodos en la interfase: interfase electrodo-disolución

Estáticos (Intensidad = cero) Potenciometría

Dinámicos (Intensidad > cero) Voltamperometría Columbimetría Electrogravimetría

Métodos en disolución Conductimetría

o Otras técnicas Espectrometría de masas Térmicos Radioquímicos Caracterización de superficies Acoplamiento de técnicas

o Técnicas de separación Cromatográficas

Cromatografía de líquidos Cromatografía de gases Cromatografía de fluidos supercríticos

Eletroforéticas Electroforesis convencional Electroforesis capilar

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o Acoplamiento de técnicasCombinación a través de una interfase adecuada de dos técnicas analíticas independientes que genera una información más completa de la muestra.En la mayoría de los casos se combinan:

Técnica cromatográfica o electroforética (elevado poder de separación) Técnicas espectroscópicas o espectrométricas (gran poder de discriminación e

identificación)

Los acoplamientos instrumentales más habituales son: Cromatografía de gases con:

Espectrometría de masas Espectroscopía infrarroja de transformada de Fourier Espectroscopía de emisión atómica (ICP)

Cromatografía de líquidos con: Espectrometría de masas Espectroscopía infrarroja de transformada de Fourier Resonancia magnética nuclear

Tema 7

Técnicas Ópticaso Técnicas ópticasMiden la radiación electromagnética (REM) emitida por la materia o que interacciona con ella.REM: propagación de E a través del espacio sin soporte de materia.Sus características se pueden explicar considerando:

Modelo clásico de onda sinusoidal (reflexión,refracción, dispersión, polarización)

Modelo corpuscular (absorción, emisión)

Modelo ondulatorio de la REM: Campo eléctrico y campo magnético en fase, con oscilaciones sinusoidales perpendiculares entre ellos perpendiculare a la dirección de propagación

Parámetros ondulatorios Amplitud (A): longitud del vector eléctrico en el máximo de onda. Periodo (p): tiempo (s) necesario para el paso de sucesivos máximos mínimos

por un punto fijo en el espacio. Frecuencia (υ): número de ciclos por unidad de tiempo. Longitud de onda (λ): distancia lineal entre dos puntos equivalentes de ondas

sucesivas (ej. máximos o mínimos). Velocidad de propagación (c): c = λ υ Número de onda: inverso de la longitud de

onda.

Teoría corpuscular: Flujo de partículas discretas de energía denominados fotones y cuya energía es proporcional a la frecuencia de la radiación.

Relación de Einstein-Planck: La energía del fotón es proporcional a la frecuencia de la radiación. Un haz de radiación puede ser más o menos intenso en función de la cantidad de fotones por unidad de área, pero la energía del fotón es siempre la misma para un determinada frecuencia.

28

-

Espectro electromagnético

o Interacción materia-REM

En esta interacción puede ocurrir: Absorción de la REM por la materia (de forma parcial) Cambio en las propiedades de la REM Emisión de REM por la materia tras la excitación adecuada

1. Absorción de la REM por la materia

Para que esto ocurra: Debe existir una interacción entre el campo eléctrico de la REM y alguna carga

eléctrica de la materia. La energía del fotón incidente debe satisfacer exactamente los requerimientos

de la energía cuantizada de la sustancia.

Niveles energéticos moleculares

Transiciones energéticas moleculares

Transiciones rotacionales puras: Se modifica la rotación de las moléculas alrededor de su centro de gravedad. Se corresponde con las regiones de microondas e infrarrojo lejano del espectro. Produce un espectro de líneas discretas de poca utilidad analítica

.

29

Aumenta la E de la materia

Transiciones vibracionales-rotacionales: Aumenta la energía de la REM absorbida, causando también transiciones rotacionales puras. Da lugar a un espectro de picos que se corresponde con la región infrarroja del espectro. Sirve para la identificación química fundamentalmente de compuestos orgánicos.

Transiciones electrónicas-

vibracionalesrotacionales: Fotones de mayor energía. Se corresponde con las regiones ultravioleta y visible del espectro electromagnético. Se dan simultáneamente las tres transiciones, dan lugar a espectros de bandas.

2. Desactivación del estado excitado

Relajación vibracional: desactivación hasta el nivel inferior del estado electrónico excitado. La energía se transfiere sin emisión, mediante colisiones a otras especies vecinas en forma de calor.

Desactivación sin emisión de radiación: tras la etapa anterior, la molécula puede perder el resto de energía mediante colisiones regresando al nivel vibracional basal.

Fluorescencia y fosforescencia: tras la relajación vibracional, la molécula puede relajarse hasta el estado electrónico fundamental emitiendo el exceso de energía en forma de REM. Fluorescencia y fosforescencia se diferencian en el tiempo transcurrido entre la absorción y emisión (10-9 s y varios s respectivamente). Las λ de estas emisiones son mayores que la de la radiación incidente.

Emisión de resonancia: toda la energía absorbida se pierde en forma de REM, siendo por tanto de la misma λ que la de la radiación absorbida.

Emisión a partir de excitación distinta a la REM: la excitación se produce por energía térmica, eléctrica, etc.

3. Cambio en las propiedades de la REM (no hay intercambio de E)

Dispersión Refracción Difracción

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Rotación Óptica

o Clasificación de las técnicas ópticas Espectroscópicas: basadas en un intercambio de energía entre la REM y la materia.

Se analizan espectros que son debidos a transiciones entre niveles energéticos Absorción

Nivel atómico: Espectrometría de absorción: basada en la absorción por parte de

átomos en fase de vapor de radiaciones energéticas correspondientes a sus líneas de resonancia, pasando a sus estados excitados en cantidad proporcional a su concentración. Es una técnica sencilla, rápida, selectiva y económica.

Rayos X: origina transiciones entre niveles internos de los átomos. Su aplicación analítica es escasa debido a su baja sensibilidad. Sin embargo, se utiliza para el estudio de espesores de materiales.

Nivel molecular: UV-visible: el espectro está constituido por un gran número de

transiciones (espectro de bandas). Las aplicaciones cualitativas son muy limitadas. Sin embargo, presentan elevada sensibilidad, lo que favorece sus aplicaciones cuantitativas.

IR: la absorción de esta energía produce cambios en la energía de vibración y rotación de los enlaces en las moléculas. Los grupos funcionales presentan configuraciones atómicas definidas, por lo que su absorción se produce a λ características. Proporcionan gran información cualitativa y estructural. Sin embargo, su baja sensibilidad limita su aplicación cuantitativa.

Microondas: Emisión

Nivel atómico: Espectrometría de emisión: : la excitación de la muestra se produce

mediante la participación de energía distinta a la REM, pudiendo ser por arco o chispa, llama o plasma (ICP).

Fotometría de llama: Fluorescencia de rayos X: consiste en general rayos X en una

muestra, usando otros rayos X (primarios, más energéticos) para su excitación. Los rayos X secundarios son característicos de la muestra excitada. Es un método rápido, de buena sensibilidad y exactitud y con gran especificidad y simplicidad.

Fluorescencia atómica: mide la emisión de resonancia de los átomos de la muestra que tiene lugar en todas las direcciones del espacio. Presenta gran sensibilidad.

Nivel molecular: Luminiscencia (fluorescencia y fosforescencia): se produce cuando

una molécula en su estado excitado pierde el exceso de energía vibracional mediante colisiones y a continuación vuelve al estado fundamental, emitiendo radiación ultravioleta o visible. Presenta una gran sensibilidad. La fluorimetría es la más importante.

No espectroscópicas: basadas en la interacción entre la REM y la materia que implica cambios en la dirección o las propiedades físicas de la REM Dispersión: turbidimetría, nefelometría Refracción: refractometría, interferometría Difracción: rayos X, electrones Rotación óptica: polarimetría, dicroismo circular

Tema 8

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Técnicas Espectroscópicas

Absorción molecular UV - Visible

o Ley de Beer

Rige la absorción de REM.Cuando un haz de radiación monocromática de una determinada λ atraviesa una capa de disolución que contiene una especie absorbente, la potencia (energía por unidad de tiempo por unidad de área) del haz incidente P0 se atenúa y disminuyendo a P:

La ley de Beer relaciona la capacidad de absorción con el espesor del material absorbente y su concentración. Si el espesor es constante el número de fotones absorbidos es proporcional a la concentración de moléculas absorbentes.

Limitaciones: solo se aplica a disoluciones diluidas ([] < 0,01M) al aumentar la concentración se desvía de la linealidad.

Desviaciones químicas: ocasionadas por cambios químicos cuando el analito se disocia, asocia o reacciona para dar productos con espectros de absorción distintos.

Desviaciones instrumentales: se cumplen cuando se usan una REM monocromática. No se puede extrapolar por que no sabemos que ocurre más allá de los datos experimentales.

o Componentes del Espectrofotómetro de uv-visible

1. Fuentes de radiación

Debe ser una fuente continua y sin cambios bruscos de potencia en el intervalo λ.

Lámpara de filamento de wolframio: fuente más común de radiación en el intervalo del visible e infrarrojo cercano. Filamento de tungsteno alojado en una cubierta de vidrio. Se comporta como un cuerpo negro, su energía depende de la temperatura a la que se calienta el filamento. Normalmente 3000º K, λ=350 - 2500 nm.

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Lámpara de wolframio/halógeno: variación de la anterior que la envoltura que rodea al filamento es de cuarzo y esta contiene una pequeña cantidad de yodo. T= 3500º K y λ= UV-IRC. Mayor vida útil por redeposición del wolframio.

Lámpara de deuterio: Formadas por hidrógeno a baja presión situado entre dos electrodos a los que se aplica una diferencia de potencial, formándose una molécula excitada que se disocia para dar dos especies atómicas más un fotón ultravioleta. Λ= 160 – 380nm (UV)

2. Selectores de longitud de onda

Reducen la REM a un intervalo estrecho de λ. Una banda estrecha es mas sensible, selectiva y es un requisito para obtener una relación lineal entre la absorbancia y la concentración. Ningún selector de longitudes de onda que produce una radiación monocromática.

Los parámetros que definen estos dispositivos son: λ nominal El porcentaje de transmitancia para la λ nominal. Mayor cantidad mayor

calidad. La anchura de banda efectiva. Menor anchura de banda Mejor selector.

Filtros de interferencias: se basan en los principios de interferencias ópticas. Se producen interferencias positivas y negativas que potencian determinadas λ. Se caracterizan por anchuras de banda de pocos nm y elevados porcentajes de transmitancia. Para uv-visible.

Filtros de absorción: absorben ciertas zonas del espectro. Formados por vidrios coloreados, tienen anchuras de banda efectiva entre 30 y 250 nm con transmitancias que de un 10%. Existen para todo el visible.

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Filtros de corte: semejantes a los anteriores, pero con transmitancias cercanas al 100% en una zona del espectro visible para disminuir rápidamente hasta valores cercanos al 0 % en el resto.

Monocromadores: para realizar barridos espectrales (λ varia de forma continua y en un amplio intervalo)Componentes:

Rendija de entrada: proporciona una imagen óptica rectangular. Lente colimadora: espejo que produce un haz paralelo de radiación. Prisma o una red que dispersa la REM en sus longitudes de onda

individuales. Prisma: refracción. El haz cambia de dirección al pasar de un medio a

otro con distinto índice de refracción. Red de reflexión: difracción. El haz paralelo de radiación se desvía

cuando pasa por una abertura estrecha. Elemento focalizador (lente): forma de nuevo la imagen de la rendija de

entrada y la enfoca en una superficie plana denominada plano focal. Rendija de salida: en el plano focal que aísla la banda espectral deseada.

Interferencias constructivas y destructivas Principio de Huygens y Tomas Young

3. Cubetas de muestra

Compuestas por material transparente a la radiación en la región espectral de interés.

UV cuarzo o sílice fundido (<350 nm) Visible e IRC Cuarzo o sílice fundido (vidrios silicatados) 350 – 2000nm

Plástico (visible)Cloruro de sodio cristalino

4. Detectores

Convierten la energía radiante en una señal eléctrica, detectan fotones (fotoelectricos). Se basan en el efecto fotoeléctrico (emisión de electrones por metales iluminados con luz de determinada frecuencia). Deben presentar:

Sensibilidad elevada en la región espectral de interés. Respuesta lineal para la energía radiante. Tiempo de respuesta pequeño. Utilizable en un amplio intervalo de λ. Elevada relación señal/ruido. Mínima señal de salida en ausencia de radiación. Buena disponibilidad para la amplificación.

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Fototubo de vacío: cátodo semicilíndrico y ánodo de filamento encerrados en un tubo transparente al vacío (cristal o cuarzo). Cuando se aplica la diferencia de potencial a través de los electrodos emite electrones hacía el ánodo de filamento generando fotocorriente.

Tubo fotomultiplicador: como el anterior (cátodo semicilíndrico y ánodo de filamento encerrados en un tubo transparente al vacío (cristal o cuarzo)). Además contiene dínodos (electrodos adicionales). Aumenta el número de electronos producidos por cada fotón incidente. Muy sensibles UV y visible.

Célula fotovoltaica: detecta y mide en el visible. Electrodo plano de cobre o hierro con capa de material semiconductor (selenio) recubierto por una capa fina de plata u oro (segundo electrodo). Todo con una envoltura transparente (cristal). Al incidir la radiación los electrones migran y se genera corriente eléctrica proporcional al número de electrones. No sensible a niveles bajos de radiación.

Semiconductor tipo n Semiconductor tipo p

Fotodiodos: pequeños fotodiodos de silicio cada uno con una unión pn polarizada inversamente. Se montan en circuito integrado sobre un único chip de silicio. Cada elemento es una barra tipo p difundida en un sustrato de silicio tipo n. La luz que incide crea carga en ambas regiones: las positivas se almacenan en las p. Número de elementos de un chip: 64 - 4096. La anchura de la rendija del espectrómetro se ajusta para que la imagen ocupe unos de los diodos.

Diodo array (filas de diodos): está formado por filas de diodos montados uno tras otro. Cada uno mide una λ distinta.

Espectrómetro: instrumento que da información sobre la intensidad de la radiación en función de la longitud de onda y frecuencia.

Espectrofotómetro: espectrómetro equipado con una o más rendijas de salida y detectores fotoeléctricos que permiten determinar la relación entre la potencia del haz y su longitud de onda.

Se basan en la medida de la absorbancia y transmitancia.

o Tipos de espectrofotómetros

Espectrofotómetro de haz sencillo: necesita una fuente estabilizada para evitar errores. Hay distintos modelos desde los más sencillos a los más sofisticados.

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FuenteSelector(filtro o

monocromador)

CubetasDetector

+ amplificad

or

Dispositivo de

lectura

Espectrofotómetro de doble haz: mediante un divisor de haz (espejo en forma de V) se forman dos haces (50%-50%) uno pasa por la disolución de referencia y continua a un fotodetector y otro atraviesa la muestra y va a otro fotodetector. Las dos señales de salida se amplifican y su cociente se determina electrónicamente (ratio). Otro tipo es de dos haces separados en el tiempo mediante espejo rotatorio en sectores.

o Características de las medidas espectrofotométricas uv-visible

Amplia aplicabilidad: Gran número de especies orgánicas (dobles o triples enlaces) en disolución Gases atmosféricos (SO2, NO2, CO2). Cationes y aniones inorgánicos (nitrato, nitritos, cloruro, fluoruro, fosfato). Cromóforos: grupos funcionales responsables de la absorción.

Buena sensibilidad: límites de detección oscilan de 10-4 a 10-6. Selectividad moderada: a menudo se encuentra una λ a la cual absorbe sólo el

analito. Buena exactitud: errores relativos entre el 1% y el 5%. Facilidad y comodidad: las medidas espectrofotométricas son fáciles, rápidas y

automatizables.

o Aplicaciones más habituales del espectrofotómetro

Análisis de mezclas de varios compuestos que absorban en la región uv-visible Valoraciones fotométricas. Detector en técnicas cromatográficas. Determinación cuantitativa: calibración.

Calibración: comparar el valor de la magnitud medida con los valores de referencia.Métodos de curvas de calibración:

Método de la curva de calibrado: Patrones con concentración creciente del analito. Se mide en el instrumento (señal: absorbancia, fluorescencia, intensidad, corriente). Preparamos una muestra diluida cuyo valor esté entre los obtenidos experimentalmente e intrapolamos en la curva de calibrado (concentración frente a señal)

Método de la adición estándar: Muestras con concentración de patrón + analito. Se mide en el instrumento. El analito siempre en la misma cantidad

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Método del Patrón interno:Patron inteno: sustancia que se añade a todas las muestras (patrones de calibrado) en una cantidad fija, menos al blanco. El analito se añade en una concentración creciente.Intrapolamos e la curva.Señal = señal del patrón del analito señal del patrón interno

Espectroscopia óptica atómica

En la espectroscopia atómica se transforma la muestra en átomos en estado de vapor y se mide la radiación electromagnética absorbida o emitida por los átomos.

o Espectro atómico

A Tª ambiente todos los átomos de la muestra se encuentran en estado fundamental, la excitación de los electrones del último orbital a otros, se puede hacer por calor, una chispa o un arco eléctrico. El tiempo de vida de un átomo excitado es breve y cuando vuelva a su estado fundamental emite un fotón a una determinada λ.

Cold gas: espectro de absorción. Los átomos están en estado fundamental, queremos ver su capacidad de absorción de REM.

Mot gas: espectro de emisión. El átomo está excitado y emite energía al volver al estado fundamental.

La diferencia en la técnica para estudiar ambos espectros estriba en que en la absorción necesitamos una fuente externa de energía que emita una REM y en la emisión no.

Espectro atómico:Niveles electrónicos energéticos excitados (picos)

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Ventaja: Elevada selectividad (picos estrechos y bien definidos)Absorción de un compuesto determinado a una λ determinada.

Espectro molecular:Niveles energéticos electrónicos excitados + vibracionales + rotacionales. Da un espectro de bandas debido a las interacciones. Selectividad moderada. Absorción total (suma de las absorciones de los compuestos).

Anchura de las líneas espectrales: Ensanchamiento natural: consecuencia del Principio de Incertidumbre de

Heisenberg Ensanchamiento Doppler: Si el átomo se mueve hacia el detector hay mas E, si se

aleja menos. Ensanchamiento de presión: Si los átomos chocan entre si hay pequeñas

variaciones de E Ensanchamiento por campos eléctricos y magnéticos: modifican la E.

o Métodos de introducción de la muestra

Objetivo: introducir una parte reproducible y representativa de la muestra a un atomizador. Generalmente limita la exactitud, precisión y límite de detección.

Introducción de la muestra en disolución Nebulizador neumático: la muestra se convierte en una niebla de pequeñas

gotitas finamente divididas (aerosol) por medio de un chorro de gas comprimido.

Nebulizador ultrasónico: la muestra se bombea sobre la superficie de un cristal piezoeléctrico que vibra a una frecuencia determinada. Proporciona aerosoles más densos y homogéneos.

Vaporizador electrotérmico: la muestra se sitúa sobre un conductor (filamento de tántalo o carbono) sobre el que se aplica una corriente eléctrica. Situado en una cámara a través de la cual fluye argón se evapora rápida y completamente.

Generación de hidruros: mediante reacción química con borohidruro se forman hidruros volátiles de los elementos As, Sb, Bi, St, Se, Pb que son arrastrados por un gas inerte.

Introducción de muestra sólida: Introducción en forma de polvo, metal o partículas. Evita la etapa de descomposición y disolución de la muestra. Menor precisión y exactitud. Inserción directa: la muestra se introduce en una sonda del atomizador. Vaporizador electrotérmico: igual que en el apartado anterior.

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Ablación por arco y chispa: hay una descarga eléctrica sobre la muestra creando una nube de partículas que es transportada por un gas inerte al atomizador.

Ablación por láser: un haz de láser vaporiza la muestra. Para sólidos conductores y no conductores de electricidad.

Descarga luminiscente: hay una descarga luminiscente entre dos electrodos que causa la ionización del argón, produciendo la expulsión de átomos neutros de la muestra.

o Métodos de atomización

Atomización con llama Mejor reproducibilidad de todos los desarrollados. Menor eficacia en la introducción de la muestra. Tiempo de residencia de los átomos en el camino óptico dentro de la llama

breve. Menor sensibilidad que otros métodos.

Etapas del proceso de atomización Transporte de la muestra Nebulización: gotitas entre 1 y 25 μm Transporte del aerosol: a la llama gotitas <10 μm Desolvatación: formación de pequeñas partículas de sal seca Vaporización: transformación en vapor

Atomización electrotérmica Elevada sensibilidad para pequeños volúmenes de muestra (0.5 y 10 μL) Precisión relativa inferior a la atomización de llama Menor intervalo analítico y más lento

Atomización por descarga luminiscente: Cuando la muestra es conductora o puede mezclarse con un conductor (grafito o cobre finamente dividido).

Generación de hidruros: No necesita altas temperaturas. Atomización en vapor frio: Aplicable a mercurio, muy importante por su toxicidad.

1. Espectroscopia de absorción atómica

o Interferencias Interferencias espectrales: Se producen cuando la absorción o emisión de una

especie se solapa a la del analito. Superposición de líneas (rara). Presencia de productos de combustión con bandas de absorción anchas o

partículas que dispersan la radiación. De la mezcla combustible/oxidante. Se corrigen comparando la absorbancia

de un blanco. Proceden de la matriz de la muestra.

Dispersión se modifica la temperatura y relación combustible/oxidante

Absorción de la radiación método de corrección de las dos líneas corrección con una fuente continua.

Interferencias químicas: diversos procesos químicos pueden alterar las características de absorción del analito. Formación de compuestos poco volátiles: aniones forman compuestos de baja

volatilidad con el analito que reducen su velocidad de atomización (resultados menores). Se soluciona con agentes

Equilibrios de disociación: en medio gaseoso y caliente se producen numerosas reacciones de asociación y disociación del analito. Las especies moleculares pueden dar bandas moleculares más intensas que las líneas atómicas.

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Equilibrios de ionización: provocan alteraciones en las líneas de absorción o emisión atómicas en función de la temperatura.

o Aplicaciones espectroscopia de absorción atómica

Curvas de calibrado: debe cumplir la Ley de Beer, aunque se suelen encontrar desviaciones que recomiendan la realización de curvas de calibrado periódicamente.

Exactitud: error relativo del 1 al 2 %. En atomización electrotérmica suele ser 5 a 10 veces mayor que en atomización con llama.

Límites de detección

2. Espectroscopia de emisión atómica

Basada en la emisión de radiación electromagnética por los átomos al pasar de un nivel de alta energía a otro inferior. Los átomos excitados emiten una radiación característica al volver a su estado fundamental o intermedio que puede ser utilizada cualitativamente o cuantitativamente para analizar la muestra. Según la ecuación de Boltzman existe una gran influencia de la temperatura sobre la intensidad de la radiación emitida (a > temperatura > número de átomos excitados)En función de la naturaleza de la energía suministrada para la excitación se pueden diferenciar distintas técnicas

Eléctrica Arco de corriente continua Arco de corriente alterna Fuente de chispa

Llama Fotometría de llama (Sodio Calcio y Estroncio): La energía de excitación es

baja, produce espectros sencillos y reproducibles. Plasma: mezcla gaseosa conductora de la electricidad que contiene una

concentración significativa de cationes y electrones con una carga neta que se aproxima a 0. Plasma de corriente directa (DCP) Plasma de acoplamiento inductivo (ICP)

Análisis multielemental simultáneo gracias a la obtención de buenos espectros de emisión

Permite la determinación de elementos refractarios y un total de más de 50 elementos.

Mejores límites de detección que con llama, arco o chispa. Atomización más completa y con menos interferencias químicas. Gran estabilidad durante largos periodos operacionales. Amplios intervalos de linealidad (más de 5 ordenes de magnitud). Espectros más complejos que requieren instrumentación cara y sofisticada.

Plasma inducido por microondas (MIP)

o Aplicaciones: cuantitativas

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Curva de calibrado: relaciona la intensidad de emisión expresada en unidades arbitrarias (0 a 100) con la concentración de la disolución problema.

Método de adición estándar Método del patrón interno: se añade a la muestra y las disoluciones patrón una

cantidad fija del patrón interno. La curva de calibrado representa en ordenadas la relación de intensidades de emisión del elemento que se determina y de patrón interno frente a la concentración de elemento en abscisas.

o Aplicaciones en Medio AmbienteIdentificación de elementos metálicos

Aguas limpias espectrometría de absorción de llama. Aguas marinas diluir o eliminar la matriz por problemas con sales Aguas de ríos y efluentes industriales se filtran, analizar sobrenadante y

precipitado. Muestras orgánicas derivados del petróleo y compuestos organometálicos Aire vapores metálicos, aerosoles y micropartículas. Los vapores se atrapan

criogénicamente, las partículas en horno de grafito o por emisión en plasma. El penacho de una chimenea directamente por emisión haciéndolo pasar por la antorcha de plasma.

Tema 9

Técnicas Electroanalíticas

1. Celda electroquímica

Consumen o generan una corriente continua, mediante 2 electrodos (conductores) sumergidos, cada uno en una disolución adecuada de electrolito. Los electrodos se conectan a través de un conductor metálico. Hay un puente salino (disolución en contacto). Es necesaria una reacción de transferencia de e- en cada electrodo.

o Tipos de celdas: Celdas galvánicas: producen E electrica a partir de la oxido-reducción que se

produce de manera espontánea en la interfase entre el electrodo metálico y el electrolito en disolución. Químicas: tienen 2 electrolitos diferentes en cada disolución. De concentración: tienen el mismo electrolito en cada disolución.

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Cátodo reducción Ánodo oxidación

Celdas electrolíticas: consumen E, invirtiendo la reacción de oxido-reducción que se produce de manera espontánea en la interfase entre el electrodo metálico y el electrolito en disolución

o Representación esquemática de la celda El ánodo y la información sobre el mismo, se escriben siempre en el lado de la

izquierda Una línea vertical representa los límites de la interfase en los que pueden

desarrollarse los potenciales Dos líneas verticales representan la existencia de uniones líquido-líquido (puente

salino) Por convenio el cátodo y la información sobre el mismo, se escriben siempre en el

lado de la derecha

2. Potenciales de electrodo

La reacción de una celda electroquímica está formada por dos reacciones de semi-celda cada una de las cuales tiene un potencial de electrodo característico

Zn0 Zn2+ + 2e- = EA (Potencial anódico)

Cu2+ + 2e- Cu0 = EC (Potencial catódico)E celda = E cátodo – E ánodo

Ecuación de Nerst

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Métodos Electroanalíticos

Métodos en la

interfase

Métodos en la disolución

Métodos Estáticos

Métodos Dinámicos

Potenciometría

Valoraciones Potenciométricas

Voltamperometría

Columbimetría

Electrogravimetría

Conductimetría

Valoraciones conductimétrica

s

aredaox

T= Tª en KR= 8,314 J/mol KEo= Potencial estándar

n= nº de e-

F= 96485 C/molared= actividad de la especie reducidaaox= actividad de la especie oxidada

3. Métodos Potenciométricos: utilizan células galvánicas

o Equipo: Electrodo de referencia

Electrodo normal de H: Gas H2 a 1 atm Disolución HCl 1M

Electrodo de plata/cloruro de plata: hilo de plata Disolución de Cl saturada con AgCl Membrana porosa

Electrodo de calomelanos: MercurioSolución saturada de Cl2Hg2

Electrodo indicador Electrodos metálicos

De 1º clase: interviene 1 reaccion De 2º clase: intervienen 2 reacciones De 3º clase: intervienen 3 reacciones Redox:hechos con metales inertes (Au, Pt, Pd)

Electrodos de membranaPropiedades: mínima solubilidad, conductividad eléctrica y reactividad selectiva con el analito. De vidrio: para medir pH. La membrana es higroscópica-hidratación de cara

externa a interna (estanca)Fuerza electromotriz en la celda de medir el pH

De estado sólido: para medir haluros y otros De membrana liquida: para medir Ca2+, NO3H-, K+, ClO4-, Mg2+

Sensores de gases: para medir CO2, NH3, SO2 Enzimáticos y biomembranas: para medir ácido nicotínico, aa, glutamatos,

nitratos

Dispositivo para la medida de la diferencia de potencial

4. Métodos dinámicos: utilizan celdas electrolíticas

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2H+ + 2e- H2Eº = 0,00

Efin= L- 0,0592 pH

o Corrientes en celdas electrolíticas

Potencial óhmico, caída IR: los e- que circulan por el sistema, encuentran resistencia, la caída óhmica. El potencial es inferior al que dice la termodinámica

E celda= E cátodo – E ánodo - IR I=intensidad de corriente (A)

R= resistencia de celda (Ω)

Polarización: desviaciones de la linealidad en la relación entre el potencial de celda y la intensidad, para potenciales de electrodo ctes. El grado de polarización se mide por el sobrepotencial. Hay que aplicar un exceso de E (sobrepotencial) para que se produzca una reacción.

η (sobrepotencial)= E - E equilibrio Polarización por concentración: aumentará cuando estén afectados los

mecanismos de transporte de masa (difusión, migración y convección) Concentración de reactivo (más probable a bajas concentraciones) Concentración total de electrólito (más probable a altas concentraciones) Agitación mecánica (disminuye en disoluciones bien agitadas) Tamaño del electrodo (disminuye cuando aumenta la superficie del

electrodo)

Polarización por transferencia de electrones El η aumenta con la densidad de corriente (Amp/cm2). El η disminuye cuando aumenta la temperatura Los η son más acusados para procesos electrónicos que producen gases

como H2 y O2 y despreciables cuando se deposita un metal o el Ion sufre un cambio en su estado de oxidación.

La magnitud del η no se puede predecir exactamente, está determinada por un número incontrolado de variables.

Cuando la velocidad de los procesos de intercambio de e- entre la especie en disolución y el electrodo es inferior a la que debe ser, es porque hay polarización.

o Voltamperometría

Métodos en los que se mide la intensidad de corriente en función del potencial aplicado, en condiciones que favorezcan la polarización de un electrolito indicador. Consumo mínimo de analito. Cuantitativo. Se basa en medir la intensidad de corriente que se desarrolla en una celda electrolítica en condiciones de polarización total de concentración. Las potenciométricas se hacen con valores de I que se aproximen a 0 y cuando no hay polarización.La columbimetría toma medidas para compensar los efectos de la polarización de concentración. Consumo total del analito.

Señales de excitación:

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Barrido lineal Impulso diferencial Onda cuadrada Triangular

Microelectrodos: hacemos que el sistema trabaje con polarización por transferencia de masa (de concentración). Usamos electrodos muy pequeños. Se produce un retraso en la llegada de las especies. Pueden ser de varios elementos (Pt, Au, grafito…) Queremos medir la oxidación y reducción de las especies, las limitaciones se deben a que se puede oxidar o reducir el agua de la disolución

Voltamperograma: curva de la intensidad (A) frente a potencial aplicado (V)Tiene un perfil sigmoidal. Empiezo a aplicar E y la I es igual a cero, llega un momento en que comienza la reacción por que aplicamos suficiente potencial, crece hasta que se estabiliza debido a la polarización, que limita el proceso de transferencia de masa. Hay una velocidad límite de las especies al electrodo.

Parámetros: Potencial de semionda: potencial al que se consigue la mitad de la velocidad

límite. Intensidad límite: depende de la concentración. Conociéndola puedo

cuantificar la concentración de analito en la disolución por la curva de calibrado.

Convenio de signos: + reducción - oxidación

Aplicaciones de la voltamperometría Análisis cualitativo y cuantitativo de varios elementos químicos de modo

simultaneo Análisis de trazas de metales (límites de detección entre 10-8 y 10-9 M) Control de la contaminación ambiental. Análisis de compuestos inorgánicos en aguas y alimentos Análisis de cationes metálicos en muestras de interés toxicológico Análisis de compuestos orgánicos (medicamentos) Detectores en cromatografía líquida de alta eficacia (HPLC)

Tema 10

Métodos de Separación Se usan para separa los distintos componentes de las muestras analíticas, y son previos a la determinación de estas por medio de métodos instrumentales

o Separación Cromatográfica

La muestra, arrastrada por una fase móvil se hace pasar a través de una fase estacionaria con la cual es inmiscible.

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Sus componentes se distribuyen de modo distinto entre ambas fases, de modo que aquellos que son retenidos por la fase estacionaria se mueven más lentamente que los débilmente retenidos a dicha fase.

Como consecuencia de la distinta movilidad, los componentes de la muestra se separan en bandas o zonas discretas que pueden analizarse cualitativa y/o cuantitativamente. Cromatografía de gases Cromatografía de líquidos Cromatografía de fluidos supercríticos

Los métodos cromatográficos se pueden clasificar en dos maneras:

Por la forma en que las fases estacionaria y móvil se ponen en contacto: Cromatografía en columna: tubo estrecho contiene la fase estacionaria. Cromatografía en plano: la fase estacionaria se fija sobre una placa.

Por el tipo de fase móvil y estacionaría y los equilibrios en la transferencia de soluto. Cromatografía de gases Cromatografía de líquidos Cromatografía de fluidos supercríticos

o Cromatografía en columna

La fase móvil es líquida: la elución en columna implica el transporte de una especie a través de una columna por la adición continua de fase móvil. Esto hace avanzar las moléculas de soluto por la columna por continuas transferencias entre la fase estacionaría y la móvil. La velocidad media a la que una zona de soluto migra en la columna depende de la fracción de tiempo que reside en esta fase, necesita detectores sensibles.

Cromatogramas: señal del detector frente al tiempo. El tiempo que tarda en aparecer la señal es el tiempo de retención de la especia. Se obtienen picos cuya posición indica de que componente se trata. También se puede representar la señal frente al volumen de retención.

Vr= Tr x Caudal Tr: tiempo de retencionEfecto de la velocidad de migración y el ensanchamiento de banda sobre la resolución: hay que intentar separar las bandas. La anchura está relacionada inversamente con la velocidad a la que fluye la fase móvil y directamente con el tiempo de velocidad de migración de las especies.

La eficacia de la columna depende en parte de la velocidad relativa con la que fluyen las dos especies, esta´ determinada por las constantes de los equilibrios.

Constante de distribución:

K=

Tiempo de retención:

Tr=

Factor de capacidad:

K’A= K’A= K’A=

Factor de selectividad:

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CsCm

Concentracion analito en fase estacionariaConcentracion analito en fase movil

LV

Longitud de columna

Velocidad de migración del analito

KVsVm

Vs= volumen fase

Vm= volumen fase móvilTr - To To

Vr - Vo To

α=

o Teoría del plato teórico:

La altura del plato y el número de platos son medidas cuantitativas de la eficacia de una columna. La eficacia aumenta cuando aumenta el número de platos y cuanto menor es la altura del palto.Se supone que en cada plato se establece en equilibrio de la especie entre la fase móvil y la estacionaria. Explica la forma de los picos y la velocidad.

Variables cinéticas que influyen en el ensanchamiento de banda: Se produce como consecuencia de la velocidad de los procesos de transferencia de masa a lo largo de una columna. Algunas se controlan por el ajuste de variables experimentales (evaluados por la altura del plato): Velocidad lineal del fluido (fase móvil) Difusión en remolino o cambio múltiple: las moléculas pueden realizar

múltiples recorridos. Es proporcional al tamaño de las partículas de relleno de la columna.

Difusión longitudinal: inversa a la velocidad. A caudal más alto menor tiempo de residencia del analito en la fase estacionaría.

Resistencia a la transferencia de masa: se debe a las corrientes de flujo de la fase móvil dentro de la fase estacionaria.

Para reducir el ancho se usan: Columnas más estrechas Disminución de la Tª disminución del coeficiente de difusión.

o Aplicaciones de la cromatografía:

Análisis cualitativo: mediante cromatogramas (según el número de picos). La confirmación de la identidad de las especies requiere análisis espectrales o químicos. Proporciona evidencias de la ausencia de ciertos compuestos.

Análisis cuantitativo: Basados en la altura de pico (relacionada inversamente con su anchura): error

5 – 10% Basados en el área de los picos

Integración manual (2 – 5 %) Integración digital (0,2 – 0,5 %)

Calibración: Directa con patrones Con patrón interno (1%)

o Cromatografía gas-sólido (fase estacionaria sólida) No la estudiamos

o Cromatografía gas-líquido (fase estacionaria líquida)

Características Interacciones entre las moléculas de gases La fase móvil no reacciona con el

analito. Separaciones rápidas (alta difusividad de los gases) . La baja viscosidad permite el empleo de columnas largas. La cte de distribución depende de la P de vapor de los componentes, y ésta la

Tª.

Instrumentos: Bombona con gas (fase movil): Gases inertes (He, N, H y Argon-Metano), el gas

depende de la fase estacionaria y del detector.

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KbKA

Cte distribución de la especie más retenida Cte distribución de la especie menos retenida

Divisor de flujo: una rama va a la columna y luego al detector y otra rama va directa al detector.

Inyector: transforma la muestra en gas Columna: muy larga. Distintos tipos:

Convencional: Ø 1- 4 mm; 0,6 – 6m largo Empaquetadas

Capilar: Ø 0,2 – 1 mm; 10 – 100 m largo. Menor tiempo de retención, muestras más pequeñas, limite de detección igual.

Empaquetadas: poco uso WCOT: deja hueco grande SCOT/PLOT: mas fase estacionaria

Detector Sistema de registro

Diferencias entre las columnas WCOT y las empaquetadas Las columnas capilares proporcionan mayor resolución. Su longitud

es mayor, aumenta el número de platos teóricos (500 000 frente a 10 000).

Tiempos de retención más cortos debido al menor contenido de fase estacionaria que hace que los analitos se retengan menos tiempo.

Cantidad de muestra del orden de nanogramos frente a los microgramos en las columnas empaquetadas.

A pesar de una cantidad de muestra considerablemente menor, el límite de detección suele ser de la misma magnitud debido a un menor ensanchamiento de banda con picos estrechos y bien definidos.

Control de temperatura La temperatura es un factor clave del cual depende la eficacia de la

separación. Afecta a la constante de distribución de cada componente de la muestra. La temperatura óptima de la columna debe ser igual o ligeramente superior al

punto de ebullición promedio de los componentes de la muestra. La reducción de temperatura mejora la resolución pero produce un aumento

en el tiempo de retención y por tanto, alarga el tiempo de análisis.

Modo de trabajo Temperatura constante: para compuestos con Tª de ebullición cercana Temperatura programada: la temperatura varía a lo largo del proceso, damos

a cada analito la Tª adecuada.

Fases estacionarias (liquida)

Baja volatilidad (Tª de ebullición 100ºC superior a la Tª de trabajo máximo de la columna)

Estabilidad térmica Químicamente inerte Características de disolvente apropiado (K´y α)

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Fase móvil (gas)

Gas inerte Estabilidad Depende de la fase estacionarias y del detector

Sistemas de inyección

Válvulas rotatorias: muy reproducible Jeringa de inyección: espacio de cabeza (fase solida), tapón.

Sistemas de detección Características:

El detector ideal debe cumplir las siguientes características: Sensibilidad adecuada (10-15 a 10-8 g analito/s) Buena estabilidad y reproducibilidad Respuesta lineal de varios órdenes de magnitud Intervalo de temperaturas de trabajo comprendido desde la temperatura

ambiente hasta al menos 400ºC Tiempo de respuesta corto e independiente del caudal Alta fiabilidad y manejo sencillo Respuesta semejante para todos los analitos o, por el contrario, selectiva y

predecible para uno o más tipos de analitos No destructivo para la muestra

Tipos de detectores: Detector de conductividad térmica (katarómetro): poco selectivo, sirve para

la mayoría de los compuestos. Posee cámara problema, cámara de referencia y filamento de wolframio. Relaciona la diferencia de Tª en ambas cámaras con la concentración.

Detector de ionización a la llama (FID): es el mas usado, es poco selectivo y solo obtiene señal con compuestos de naturaleza organica.

Detector especifico de N y P (NPD): para compusto nitrogenados u organofosforados

Detector de captura electrónica (ECD): muy sensible (picogramos) posee un anillo radiactivo de 63Ni que emite e-, ioniza la fase móvil (gas). Para compuestos halogenados.

Orden de sensibilidad: Captura electrónica > NPD > FID > Katarómetro.

Características de las muestras Volátiles o térmicamente vaporizables Estables a la temperatura de trabajo Compuestos de bajo peso molecular (< 300 Da) Compuestos en sus formas no iónicas Compuestos sin grupos que favorezcan la formación de enlaces por puente de

hidrógeno Compuestos derivatizables

Aplicaciones medioambientales de la GC Hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAHs)

16 de estos compuestos son considerados por la EPA como contaminantes prioritarios, siendo la GC un método estándar para su análisis.

Las fases estacionarias son no polar tales. Los detectores utilizados son el FID y MS.

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Pesticidas El 60% de los pesticidas o sus metabolitos pueden ser analizados por GC. Fases estacionarias son no polar (organoclorados), semipolar

(organofosforados) y polares (methamidophos) Los detectores utilizados son el ECD (halogenados), NPD (triazinas) y FPD

(organofosforados y organoazufrados) PCBs y dioxinas

17 dioxinas y 7 PCBs son analizados de forma habitual por GC. Las fases estacionarias son de tipo no polar tales como methyl polyxilosane

o semi polar como cyanopropyl methyl polyxilosane. El detector utilizado es el ECD.

o Cromatografía de líquidos de alta eficacia (HPLC)

Caracteristicas Fase móvil: líquido Técnica de separación más utilizada En la fase estacionaria las partículas son muy pequeñas, requieren elevadas

presiones.

Mecanismos de separación Cromatografía de reparto Cromatografía de adsorción Cromatografía iónica Cromatografía de exclusión molecular Cromatografía de afinidad

Aparatos: Dispositivo desgasificador: elimina burbujas de aire (evita taponamientos) Reservorio de fase móvil:

Régimen isocratico: la composición de la fase móvil no varia Regimen gradiente: la composición cambia a lo largo del proceso.

Bomba de impulsión: a gran presión (400 atm) Inyector: introduce la muestra en el sistema. Valvula rotatoria. Precolumna (alternativa): para eliminar compuestos interferentes. Columna nalitica: 10 – 30 cm, 4 – 10 mm, n= 40.000 – 60.000 platos/metro Detector: varios tipos Integrador

Fases móviles en HPLC Fase Normal

Componente principal Hidrocarburos lineales Haluros alifáticos

Modificadores: Alcoholes, tetrahidrofurano y ácido acético Fase Reversa

Componente principal: Agua o tampón Modificadores: Metanol, acetonitrilo, tetrahidrofurano y dioxano

Bomba: HPLC de piston simple: es mas sencilla, el piston sube y baja por el cilindro,

problema de pulsos HPLC de piston doble: hay 2 pistones sincronizados, la línea de base es

continua

Columna: empaquetamiento de partículas

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Forma: Esféricas Irregulares

Tamaño: Pequeñas: 5 µm Grandes: 25 – 50 µm

Totalmente porosas Superficialmente porosas (peliculares)

Detectores en HPLC: se pueden basar en la medida de una propiedad de: la disolución: Comparan el cambio global de alguna propiedad física de la fase

móvil con y sin soluto. Detectores de índice de refracción (poco usados)

el soluto: responden a una propiedad física o físico-química del soluto. Detectores de absorbancia uv-visible: la cubeta tiene forma de Z, tiene

mayor recorrido y sensibilidad. Tiene fotodetector o fotodiodos en fila. Para compuestos con grupos cromóforos.

Detectores de fluorescencia: detector óptico para compuestos fluorescentes.

Detectores electroquímicos (amperiometrico): posee 3 electrodos en una celula electroquímica. Para compuestos redox.

Métodos Cromatográficos

Cromatografía de reparto: La separación se basa en la distribución de los solutos entre dos líquidos inmiscibles (fase móvil y fase estacionaria) según su solubilidad relativa en cada una de ellas. Es la más usada, la mayoría por reparto en fase inversa Fase normal: (poco usada)

Fase estacionaria polar (agua) Fase móvil apolar

Fase inversa Fase estacionaria apolar (hidrocarburos alifáticos) Fase móvil polar (metanol, acetonitrilo)

Cromatografía de adsorción: Se usa poco. La fase estacionaria es un sólido adsorbente de gran superficie (sílice y alúmina). La fase móviles un liquido con los grupos funcionales polares de los compuestos. Se aplica a muestras solubles en disolventes no polares

Cromatografía de exclusión por tamaño: Las partículas tienen canales de diámetro homogéneo. Las moléculas grandes del soluto pasan entre las partículas, más rápido, y las moléculas pequeñas del soluto se retienen en los canales, tardan más en salir.

Cromatografía de afinidad: Se producen reacciones antígeno anticuerpo. Las partículas se cubren de sustancias biológicas de elevada selectividad, cada una reconoce una sustancia reactiva (analito) que queda retenida; luego se libera.

Cromatografía de intercambio iónico: Las partículas se recubren de iones. Retienen los analitos por interacciones electrostáticas.

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