El Agua del Laboratorio PDF

UT 8: EL AGUA DEL LABORATORIO ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN 2. LAS PROPIEDADES DEL AGUA 3. LA CALIDAD DEL AGUA 3.1. TIPOS DE AGUA SEGÚN EL GRADO DE PUREZA 3.2. TIPOS DE AGUA SEGÚN SU CALIDAD FISICOQUÍMICA 3.3. TIPOS DE AGUA SEGÚN SU CALIDAD MICROBIOLÓGICA 4. MÉTODOS DE PURIFICACIÓN DE AGUA 4.1. FILTRACIÓN...

UT 8: EL AGUA DEL LABORATORIO ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN 2. LAS PROPIEDADES DEL AGUA 3. LA CALIDAD DEL AGUA 3.1. TIPOS DE AGUA SEGÚN EL GRADO DE PUREZA 3.2. TIPOS DE AGUA SEGÚN SU CALIDAD FISICOQUÍMICA 3.3. TIPOS DE AGUA SEGÚN SU CALIDAD MICROBIOLÓGICA 4. MÉTODOS DE PURIFICACIÓN DE AGUA 4.1. FILTRACIÓN 4.2. ÓSMOSIS INVERSA 4.3. DESTILACIÓN 4.4. DESIONIZACIÓN O DISMINERALIZACIÓN 4.5. EL AGUA ULTRAPURA 1. INTRODUCCIÓN El agua líquida es incolora, inodora e insípida. En su forma pura es uno de los disolventes más utilizados en un laboratorio. El problema de utilizar agua corriente es que contiene sales. Por ello el agua que se utiliza en el laboratorio debe de estar libre de todo contenido de impurezas, para evitar interacciones químicas en los resultados y el deterioro en los equipamientos y el instrumental. El agua en el laboratorio se utiliza como: Disolvente. Reactivo en operaciones de limpieza Elemento necesario en distintos procesos (esterilización con autoclave, destilaciones, etc.) Los análisis de alta sensibilidad dependen en gran medida de la pureza del agua, especialmente cuando hay que calcular directamente concentraciones muy bajas de sustancias o cuando se dispone de pequeñas cantidades de muestras y es necesario diluirlas antes del análisis. 2. LAS PROPIEDADES DEL AGUA La molécula de agua H 2O está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno unidos covalentemente, y adopta una geometría no lineal, con los dos átomos de hidrógeno formando un ángulo de 104,45º entre sí. El átomo de oxígeno tiene más electrones que el de hidrógeno. La molécula de agua adopta una geometría no lineal, con los dos átomos de hidrógeno formando un ángulo de 104,45 grados entre sí. Esta configuración, junto con la mayor electronegatividad del átomo de oxígeno, le confieren polaridad a la molécula (con dos polos, uno positivo y otro negativo). Debido a esta polaridad, las moléculas de agua forman uniones entre sí y con otras moléculas mediante unos enlaces llamados puentes de hidrógeno. A temperatura ambiente el agua es líquida. Estas dos características hacen del agua un excelente disolvente, y se dice que es el disolvente universal ya que puede disolver sustancias polares o con carga iónica (alcoholes, aminoácidos, sales, etc.). Polaridad Las moléculas de agua son muy polares, puesto que hay una gran diferencia de electronegatividad entre el hidrógeno y el oxígeno. Este hecho tiene una importante consecuencia, y es que las moléculas de agua se atraen fuertemente (atracción electrostática), cohesionándose por donde son opuestas las cargas. En la práctica, un átomo de hidrógeno sirve como puente entre el átomo de oxígeno al que está unido covalentemente y el oxígeno de otra molécula. La estructura anterior se denomina puente de hidrógeno. Cohesión La cohesión es la propiedad por la que las moléculas de agua se atraen entre sí. Debido a esta interacción se forman cuerpos de agua por cohesión de moléculas de agua, las gotas. Los puentes de hidrógeno mantienen las moléculas de agua fuertemente unidas, formando una estructura compacta que la convierte en un líquido casi incompresible. Estos puentes se pueden romper fácilmente con la llegada de otra molécula con un polo negativo o positivo más fuerte, o con el calor. Adhesión El agua, por su gran potencial de polaridad, cuenta con la propiedad de la adhesión, es decir, el agua generalmente es atraída y se adhiere a otras superficies. Las fuerzas de cohesión y adhesión del agua explican la forma de los meniscos. Tensión superficial Por su misma propiedad de cohesión, el agua tiene una gran atracción entre las moléculas de su superficie, creando tensión superficial. La superficie del líquido se comporta como una lámina capaz de ofrecer cierta resistencia al atravesarla. Acción capilar El agua cuenta con la propiedad de la capilaridad, que es la propiedad de ascenso, o descenso, de un líquido dentro de un tubo capilar (muy estrecho). Esto se debe a sus propiedades de adhesión y cohesión. Elevado calor específico Al calentar el agua, ésta se calienta lentamente, ya que va disipando el calor mediante la rotura de puentes de hidrógeno (evaporación). El calor específico del agua se define como la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura del agua en 1 grado Celsius (ºC). Por ello el agua es un buen disipador del calor y es un buen regulador de temperatura, reduciendo los cambios bruscos de temperatura. Esto es fundamental en los seres vivos, permitiéndonos tener una temperatura constante. Temperatura de fusión y ebollución Presenta un punto de ebullición (paso de estado líquido a gaseoso) de 100 °C a presión de 1 atmósfera (se considera como estándar para la presión de una atmósfera la presión promedio existente al nivel del mar). Tiene un punto de fusión (paso de estado sólido a líquido) de 0 °C a presión de 1 atm,. Densidad La densidad se define como la relación entre la masa y el volumen que ocupa un objeto o sustancia. El agua líquida tiene una densidad máxima a 4 ºC de 1 kg/l, disminuyendo a 0,958 kg/l al aumentar la temeratura a 100 ºC. Cristalización La cristalización es el proceso por el que el agua pasa de su estado líquido al sólido cuando la temperatura disminuye de forma continua convirtiéndolo en hielo. Cuando la temperatura baja de los 0 ºC y se forma hielo, la densidad cae bruscamente a 0,917 kg/l. Otras propiedades pH neutro, en presencia de CO2 se vuelve ligeramente ácido (ác. carbónico). Es catalizador en muchas reacciones químicas. Presenta un equilibrio de autoionización, en el cual hay iones H 3O+ y OH−. 3. LA CALIDAD DEL AGUA Existen distintos niveles de calidad del agua según los valores de los siguientes parámetros: de dureza, fisicoquímicos y microbiológicos. La calidad del agua es un parámetro establecido para cada técnica analítica y procedimiento que se realice en el laboratorio. 3.1. TIPOS DE AGUA SEGÚN EL GRADO DE DUREZA La dureza del agua se expresa como cantidad equivalente de carbonato de calcio (aunque esta sal propiamente no se encuentre en el agua) y se calcula a partir de la suma de las concentraciones de Ca y Mg (en miligramos por litro o en partes por millón).  Tipos de agua mg CaCO3 / l agua Agua blanda ≤17 Agua levemente dura ≤60 Agua moderadamente dura ≤120 Agua dura o calcárea ≤180 Agua muy dura >180 3.2. TIPOS DE AGUA SEGÚN SU CALIDAD FISICOQUÍMICA TIPO I: Agua ultrapura: Mantiene el pH=7 (neutro). Se utiliza para ensayos cuantitativos (cuando se quiere saber la cantidad del compuesto). Es especial para experimentos que requieren un mínimo de interferencias y para aplicaciones muy sensibles a las posibles contaminaciones, p.e.: técnicas de secuenciación de ADN, PCR, preparación de soluciones para cultivos celulares, cromatografía líquida de alta resolución, etc. TIPO II: Agua analítica: Mantiene el pH=7 (neutro). Se utiliza para ensayos cuantitativos. Está libre de impurezas orgánicas. Es el agua que más se consume para la mayor parte de experimentos analíticos dentro del laboratorio (agua purificada). TIPO III: Agua general: Mantiene el pH=7 (neutro). Se utiliza para ensayos cualitativos (cuando se quiere saber las cualidades del compuesto). Agua adecuada para ensayos generales y para la limpieza del material del laboratorio. TIPO IV: Agua de máquinas de lavado (lavavajillas) o para el autoclave: El pH está entre 5-8. Es el agua menos pura. La calidad del agua que se usa en el laboratorio y en las aplicaciones que requieren agua con un contenido mínimo de impurezas puede determinarse según diferentes criterios, que dependen de la institución o el organismo que fija las normas estándar. La institución más conocida es la American Society for Testing and Materials (ASTM), también la normativa ISO 3696 para aplicaciones de laboratorios y el seguimiento de las guías Clinical and Laboratory Standards Institute (CLSI) para laboratorios clínicos. Los estándares establecidos determinan la calidad del agua por su conductividad que se expresa en microsiemens por centímetro (μS/cm) y es una medida indirecta del contenido de sales disueltas en el agua. El conductímetro es el instrumento que mide y controla estos parámetros. El agua químicamente pura tiene una conductividad de 0,056 μS/cm o 18 MΩ x cm. 3.3. TIPOS DE AGUA SEGÚN SU CALIDAD MICROBIOLÓGICA El agua se clasifica según la cantidad de microorganismos presentes en tipo A, B y C. Parámetro microbiológico Tipo A Tipo B Tipo C Mesófilos aerobios (total) 1/100 ml 10/100ml 1000/100ml Endotoxinas (UE/ml) 0,03 0,25 No es aplicable 4. MÉTODOS DE PURIFICACIÓN DE AGUA Según la pureza deseada se realizan uno o varios métodos de purificación. 4.1. FILTRACIÓN Es el paso previo antes de aplicar cualquier otro método de purificación. El procedimiento más común es usar filtro de partículas que impide el paso de sólidos y a continuación filtros de carbón activado que adsorben gran parte de las sustancias orgánicas disueltas en el agua. El carbón activado está tratado para incrementar su capacidad de adsorber, lo cual se consigue haciéndolo más poroso. En este proceso solo se eliminan partículas, principalmente impurezas orgánicas. En la adsorción, la sustancia adsorbida es atraída y retenida en la superficie de la que la adsorbe, pero no penetra en ella, en cambio en la absorción la sustancia absorbida penetra en la sustancia que la absorbe. 4.2. ÓSMOSIS INVERSA Consiste en aplicar presión sobre una disolución concentrada separada mediante una membrana semipermeable de otra solución menos concentrada. Al aplicar la presión se consigue que pase agua pura y se separe del agua con mayor concentración de sustancias. Ocurre lo contrario que la ósmosis (el equilibrio se consigue con el paso de agua desde la disolución diluida a la concentrada). Las membranas tienen un tamaño de poro muy pequeño (0,0005 μm de diámetro) y evita el paso de sales, materias inorgánicas, sustancias orgánicas, virus, bacterias y partículas. Es un procedimiento relativamente barato y es eficaz para muchos laboratorios, por lo que es de los más utilizados. 4.3. DESTILACIÓN Permite separar sustancias en función de sus puntos de ebullición. El proceso básico consiste en calentar el agua de origen; una vez se alcanza el punto de ebullición del agua, esta comienza a evaporarse y sus vapores se recogen y se enfrían para que vuelvan al estado líquido. El producto resultante es agua destilada y en el recipiente de origen quedarán impurezas. A veces, se aplica una segunda destilación al agua destilada, en este caso se obtiene agua biodestilada. Mediante este proceso se eliminan muchos de los contaminantes del agua, la mayor parte de las impurezas son sales que se quedan en el tanque de ebullición, lo que no elimina son contaminantes volátiles. Esta técnica es muy cara porque necesita mucha energía, sobre todo si es para grandes volúmenes de agua. 4.4. DESIONIZACIÓN O DISMINERALIZACIÓN Se pasa agua a través de unas resinas de intercambio iónico, que emiten iones al agua y atraen a determinadas moléculas presentes en ella. El producto que se obtiene es agua desionizada. Los equipos de intercambio iónico tienen 2 tipos de resinas:  Resinas de intercambio de cationes: Retiran iones + del agua (Na +, Ca2+, etc.) y le aportan protones (H+) Resinas de intercambio de aniones: Retiran iones – del agua (Cl-, HCO3-, CO32-) y aportan grupos hidroxilos (OH-). Los iones liberados por las resinas (H+ y OH-) se combinan entre sí y forman agua. Es un método de fácil instalación y proporciona un mayor volumen de agua pura que la destilación. Las resinas se deben regenerar periódicamente para que funcionen correctamente. Es un procedimiento también caro. El inconveniente es que este método no elimina la materia orgánica por sí solo. 4.5. EL AGUA ULTRAPURA El agua ultrapura no se puede obtener a partir de un solo proceso, se requiere la combinación de más de uno para lograr la calidad deseada tanto en las características fisicoquímicas como en las microbiológicas. Una forma de obtener el agua ultrapura es filtrando el agua de la red de suministro con filtros de sedimentos y de carbón activado, para eliminar las partículas de mayor tamaño y el cloro residual. El agua resultante pasa a una unidad de ósmosis inversa, donde se eliminan las sales disueltas con una eficacia entre el 95-98%. Finalmente se pasa por un equipo de intercambio iónico. El agua que se obtiene no necesariamente cumple con los estándares de calidad y hay que hacerle varios pasos a través de las resinas. Cuando el agua tratada circula, se intercala una lámpara UV de 254 nm para su desinfección y una segunda lámpara UV de 185 nm para efectuar la destrucción de la materia orgánica al nivel de trazas, que siempre se generan cuando el agua está en contacto con la resina mixta y demás componentes del equipo. Es muy importante que el sistema de producción de agua ultrapura disponga de un depósito de almacenamiento de agua en el que poder mantener la calidad de forma constante.