Métodos instrumentales de análisis.

Química para Sistemas.Stancato Paolo21/11/2001Comisión Nº 61

bibliografia Métodos instrumentales de análisis.

Willard,H.,Merrit L.,y otros. Grupo ed.Iberoamericana, Mexico,1991.

ANALISIS INSTRUMENTAL. Douglas SKoog and James LEARY. Cuarta edición Mc Graw Hill, 1994.

Introducción En los últimos años se han producido diversos instrumentos sensibles

que han incrementado considerablemente la capacidad del ingeniero para cuantificar y controlar los materiales contaminantes, cuya complejidad va en aumento. Los métodos instrumentales de análisis tienen aplicación en el monitoreo de rutina de la calidad del aire, calidad del agua superficial y subterránea, y la contaminación del suelo, como también durante el proceso de tratamiento de agua y agua residual.

Éstos métodos han permitido que las mediciones analíticas se realicen inmediatamente en la fuente, y que el registro se practique a una distancia del sitio donde se realiza la medición. Además, han permitido ampliar considerablemente la variedad de las sustancias químicas orgánicas e inorgánicas que se pueden controlar, las concentraciones que se pueden detectar y cuantificar. En la actualidad se usan rutinariamente varios métodos instrumentales para investigar la magnitud de la contaminación y para controlar la efectividad del tratamiento.

Casi cualquier propiedad física de un elemento o compuesto puede servir como base para un medición instrumental. La capacidad de una solución coloreada para absorber luz, de una solución para transmitir corriente o de un gas para conducir calor puede ser la base de un método analítico para medir la cantidad de un material y para detectar su presencia.

Los métodos ópticos de análisis

Los métodos ópticos miden las interacciones entre la energía radiante y la materia. Los primeros instrumentos de esta clase se crearon para su aplicación dentro de la región visible y por esto se llaman instrumentos ópticos. La energía radiante que se utiliza para estas mediciones puede variar desde los rayos X, pasando por la luz visible, hasta las ondas de radio. El parámetro usado más frecuentemente para caracterizar la energía radiante es la longitud de onda, que es la distancia entre las crestas adyacentes de la onda de un haz de radiación. Los rayos X, de longitud de onda corta, son relativamente de alta energía y por esta razón pueden producir cambios marcados en la materia, y que las microondas y las ondas de radio tienen longitudes de onda larga y son relativamente de baja energía; los cambios que pueden ocasionar al interactuar con la materia son muy leves y difíciles de detectar.

Los métodos ópticos de análisis se pueden diseñar para medir la capacidad de un material o de una solución para absorber energía radiante, para emitir radiación cuando son excitados por una fuente de energía o para dispersar o difundir radiación.

Métodos de absorción

Cuando una fuente de energía radiante, como un haz de luz blanca, se pasa a través de una solución, el haz emergente será de menor intensidad que el haz que entra. Si la solución no tiene partículas en suspensión que dispersen la luz, la reducción en intensidad se debe principalmente a la absorción por la solución. La medida en que se absorbe la luz blanca es por lo general mayor para algunos colores que para otros, con el efecto de que el haz emergente tiene color.

Espectrofotometría ultravioleta

Cuando una molécula absorbe energía radiante en la región visible o ultravioleta, la valencia o los enlaces electrónicos en la molécula se elevan a órbitas de más alta energía. Algunos cambios moleculares menores también tienen lugar, pero son usualmente enmascarados por la excitación electrónica mencionada. El resultado es que por lo general se observan bandas de absorción moderamente amplias tanto en la región visible como en la ultravioleta. Existen muchos instrumentos para realizar mediciones en ambas regiones.

La región ultravioleta es de aplicación general más limitada, aunque es particularmente apropiada para la medición selectiva de concentraciones bajas de compuestos orgánicos.

Espectrofotometría infrarroja.

Casi todos los compuestos químicos orgánicos presentan marcada absorción selectiva en la región infrarroja. Sin embargo, el espectro infrarrojo es mucho más complejo comparado con el ultravioleta o el visible. La radiación infrarroja es de baja energía y su absorción por una molécula causa toda clase de cambios sutiles en su energía rotacional o vibracional. La comprensión de estos cambios requiere un gran conocimiento de mecánica cuántica, ya que sabiendo esto es posible identificar agrupaciones atómicas particulares que estén presentes en una molécula desconocida.

Este método se utiliza, por ejemplo, para medir la concentración de carbono orgánico total cuando hay solo pequeñas cantidades de carbono en el agua.

Desde hace mucho tiempo se sabe que muchos elementos metálicos, cuando se someten a la excitación adecuada, emiten radiaciones de longitudes de onda específica. Ésta es la base de la conocida prueba de la llama para el sodio (que emite una luz amarilla), y para otros metales alcalinos y alcalinotérreos. Cuando se utiliza un método de excitación mucho más potente en vez de la llama, la mayoría de los elementos metálicos y algunos no metálicos emiten radiaciones características. En condiciones controladas apropiadas, la intensidad de la radiación emitida a un longitud de onda específica se puede correlacionar con la cantidad del elemento presente. Por tanto, se puede hacer un determinación cuantitativa y cualitativa. Los diferentes procedimientos analíticos que utilizan la emisión de espectros se caracterizan por el método de excitación usado, la naturaleza de la muestra (si es sólida o líquida) y el método para detectar y registrar el espectro producido.

Métodos de emisión.

Fotometría de llama.

Este método se utiliza en el análisis del agua para determinar la concentración de los metales alcalinos o alcalinotérreos como el sodio, el potasio y el calcio.

El espectro emitido por cada metal es diferente, y su intensidad depende de la concentración de los átomos en la llama.

Espectofotometría de absorción atómica.

Aunque éste es realmente un método de absorción, se incluye en la espectroscopia de emisión debido a su semejanza a la fotometría de llama.

La espectofotometría de absorción atómica ha adquirido amplia aplicación en la ingeniería ambiental en la última década debido a su versatilidad para la medición de trazas de la mayoría de los elementos en el agua. Los elementos como el cobre, hierro, magnesio, níquel y zinc se pueden medir con precisión hasta una pequeña fracción de 1 mg/l.

La ventaja de la espectofotometría de absorción atómica es que es bastante específica para muchos elementos. La absorción depende de la presencia de átomos libres no excitados en la llama, que están presentes en más abundancia que los átomos excitados. Por tanto, algunos elementos como el zinc y el magnesio, que no son fácilmente excitados por la llama y, en consecuencia, los resultados con el fotómetro de llama son deficientes, se pueden medir fácilmente por el método de absorción atómica.

Espectroscopía de emisión.

Mientras que los métodos precedentes han sido hasta hace poco los más usados en el análisis del agua, hay muchos otros métodos de emisión que están comenzando a utilizarse más, que emplean métodos de excitación más potentes que la llama. Estos métodos pueden hacer extensivo el análisis a todos los elementos metálicos o no metálicos. Los instrumentos de emisión están especial- mente adaptados para el análisis de muestras sólidas y acuosas, por tanto, se emplean con frecuencia para el análisis de metales en lodos y en otros desechos

complejos.

Dispersión y difusión. La turbiedad de una muestra se puede medir por el efecto sobre la

transmisión de la luz, que se denomina turbidimetría, o por el efecto en la difusión de la luz, que se denomina nefelometría. Estas propiedades se utilizan en los procedimientos de los 'Métodos estándar" para la medición de la turbiedad. Mientras que estos procedimientos se valen del ojo humano para detectar la luz emitida, los métodos que emplean fotómetros eléctricos comunes también se pueden usar, con la ventaja de que se pueden hacer y registrar mediciones continuas de turbiedad, sin que exista el factor de error humano al hacer las observaciones. La medición nefelométrica es más sensible para suspensiones muy diluidas, pero para la turbiedad moderadamente considerable se pueden hacer mediciones nefelométricas o turbidimétricas.

En la turbidimetría se mide la cantidad de luz que pasa a través de una solución. A mayor turbiedad es menor la cantidad de luz transrnitida. En la nefelometría, la celda que detecta la luz se coloca en ángulo recto a la fuente de luz para medir la luz dispersa por las partículas de turbiedad. Cualquier espectrofotórnetro o fotómetro es satisfactorio como turbidímetro, sin modificaciones. Sin embargo, para la nefelometría se requiere un aditamento especial.

Aunque los análisis turbidimétricos se pueden llevar a cabo a cualquier longitud de onda de la luz, los procedimientos de los 'Métodos estándar' para la determinación de sulfatos por análisis turbidirnétrico recomiendan una longitud de onda de 420 nm. Esto produce un análisis más sensible, debido a que la luz azul de esta longitud de onda se dispersa más que la luz roja, que tiene longitudes de onda mayores.

Fluorimetría.

Muchos compuestos orgánicos y algunos inorgánicos tienen la capacidad de absorber energía radiante de una longitud de onda determinada y luego emitir la energía como radiación a una longitud de onda mayor. Éste fenómeno se conoce como fluorescencia y determina las bases para un instrumento analítico muy sensible. La fluorescencia se puede medir con un instrumento simple llamado fluorómetro, que emplea filtros para seleccionar la longitud de onda.

Uno de los principales usos de la fluorimetría en los estudios de la calidad del agua es el seguimiento del movimiento del agua y de la conteminación. Esto se lleva a cabo añadiendo al agua medios altamente fluorescentes y detectando su movimiento por mediciones fluoroscópicas.

Métodos eléctricos de análisis

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

En otros métodos eléctricos, se introduce en la solución los electrodos adecuados y se aplica un pequeño voltaje determinado. La corriente que fluye depende de la composición de la solución y, en consecuencia, se puede utilizar para hacer mediciones analíticas. Los métodos que se basan en este principio son los polarográficos.

Análisis potenciométrico.

En este tipo de análisis se utilizan distintos tipos de electrodos, los más importantes son:

-Electrodo de metal

-Electrodos de oxidación reducción.

-Electrodos de metal, en contacto con una sal ligeramente soluble.

-Electrodo de membrana (muy importante en la medición de la calidad del agua).

-Electrodo de vidrio.

Este electrodo es de uso universal para la medición del pH. El electrodo funciona en soluciones altamente coloreadas en las que no funcionan los métodos colorimétricos, y en medios oxidantes, medios reductores, y sistemas coloidales en los que ha fallado casi completamente otros electrodos

-Electrodo de membrana líquida.

-Electrodo de membrana cristalina.

Análisis polarográfico.

Los procedimientos analíticos para el estudio de una solución en los que se usa la relación entre voltaje aplicado a través de dos electrodos y el flujo de corriente resultante se llaman voltimetría. Entre ellos se encuentra:

-El análisis polarográfico.

-La voltametría de descarga anódica.

El análisis polarográfico directo del agua o de soluciones de aguas residuales por lo general no es lo suficientemente sensible para medir concentraciones bajas de metales, que tienen importancia en la salud y el medio ambiente. sin embargo, la voltametría de descarga anódica es una modificación de la polarografía que proporciona la sensibilidad necesaria para ciertos metales como el plomo y el cadmio.

-Sensores de membrana.

Se basan en el principio del método polarográfico y son útiles para las mediciones de moléculas gaseosas o no ionizadas.

Hay instrumentos diseñados específicamente para determinar el oxígeno disuelto.Sin embargo, se ha demostrado la gran utilidad de los sensores de membrana permeables a gas, que permiten un análisis más específico del oxígeno disuelto no sólo para monitorear la calidad del agua, sino para controlar también la tasa de aireación en los procesos de tratamiento biológico.

Métodos de análisis cromatográfico

Cromatografía es el término general que se usa para describir el conjunto de procedimientos utilizados para separar los componentes de una mezcla, con base en la afinidad de cada uno para repartirse entre diferentes fases. Por ejemplo, el dióxido de carbono es más soluble en el agua que en el metano, de modo que si ambos gases estuvieran presentes en una muestra de aire que hace contacto con el agua, el dióxido de carbono se repartiría más facilmente hacia el agua que hacia el metano. Esta propiedad, que es diferente para las diferentes moléculas, se puede usar para inducir su separación. El primer artículo en el que se hizo una descripción moderna de la cromatografía fue presentado en 1906 por Michael Tswett, un biólogo que separó la clorofila y otros pigmentos de extractos de plantas mezclados en una solución de éter de petróleo, pasándolos a través de una columna de vidrio con partículas de carbonato de calcio. Los pigmentos se movían a lo largo de la columna a diferentes velocidades, de acuerdo con su afinidad relativa por el éter de petróleo en la fase móvil y por el carbonato de calcio en la fase inmóvil.

Esta separación se podía ver fácilmente por el color de los pigmentos y la intensidad del color determinaba la cantidad de cada pigmento.

Del mismo modo que en la descripción de Tswett, en la cromatografía moderna generalmente la separación de una mezcla se lleva a cabo en dos fases diferentes: una es la estacionaria y otra la móvil. La fase estacionaria puede ser un líquido o un sólido y la fase móvil puede ser un líquido o un gas. Cuando la fase móvil es un gas el procedimiento se llama cromatografía de gas, y cuando es líquido, se llama cromatografía líquida. Dependiendo de la naturaleza de la fase estacionaria se usan otros términos descriptivos: por ejemplo, cuando la fase móvil es un gas y la inmóvil es un líquido, el procedimiento se llama cromatografía gas – líquido. Cuando la fase móvil es un líquido y la inmóvil es papel, entonces se tiene la cromatografía de papel.

La cromatografía líquida ha avanzado considerablemente en los últimos años, llevando a la construcción de instrumentos a los que se da el nombre de cromatografía líquida de alta eficiencia (CLAE). Algunos instrumentos para la CLAE usan resinas iónicas como fase estacionaria y se llaman cromatógrafos iónicos.

La separación cromatográfica es una de las dos principales características de los instrumentos cromatográficos; la otra es detección y cuantificación de los compuestos. En la actualidad se dispone de numerosos detectores, cada uno con su sensibilidad particular para un grupo dado de compuestos en una mezcla.

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

Otros métodos instrumentales de análisis

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

Espectrometría de masas

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

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

Análisis con rayos X

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

Espectroscopía por resonancia nuclear magnética.

Esta herramienta analítica se usa para detectar y diferenciar entre los núcleos de los átomos de una molécula. Se puede usar para realizar análisis químicos específicos o para determinar la estructura de especies orgánicas e inorgánicas. Es un método instrumental altamente especializado que cada vez tiene más aplicaciones.

Medidas de radiactividad

Los métodos instrumentales de análisis se usan para la medición de la radiactividad en el ambiente, o para estudios de investigación que utilizan trazadores radiactivos. Se dispone de varios instrumentos para medir tipos específicos de radiación, la frecuencia de las emisiones, o ambas.