Análisis instrumental: Clasificación de métodos analíticos cuantitativos (PDF)

Tema 1. Análisis instrumental. Clasificación de los métodos analíticos cuantitativos. Tipos de métodos instrumentales. La química analítica se enfoca en la determinación de la composición química de una sustancia, proporcionando dos tipos de información clave: § Información cualitativa. Responde a l...

Tema 1. Análisis instrumental. Clasificación de los métodos analíticos cuantitativos. Tipos de métodos instrumentales. La química analítica se enfoca en la determinación de la composición química de una sustancia, proporcionando dos tipos de información clave: § Información cualitativa. Responde a la pregunta ‘¿qué hay en la muestra?’. Sirve para identificar las especies atómicas o moleculares presentes en la misma. § Información cuantitativa. Responde a la pregunta ‘¿cuánta cantidad hay?’. Sirve para determinar la cantidad específica de los componentes dentro de la muestra. Clasificación de los métodos analíticos. § Métodos clásicos. Estos métodos se basan en la determinación cuantitativa de un analito (i.e., la sustancia que se desea analizar). Para ello se utilizan medidas gravimétricas (masa) o volumétricas (volumen). Ejemplos de estos métodos incluyen la titulación y la precipitación, donde el resultado se obtiene a través de una reacción química visible. - Titulación ácido-base. El fundamento de la titulación ácido-base es la reacción de neutralización entre ácidos y base. Como solución volumétrica se selecciona un ácido o base como complemento a la solución de prueba. Mediante la titulación se consigue una neutralización entre iones H3O+- y OH-. Si se alcanza el valor pH 7 la solución es neutra; añadiendo más solución volumétrica la solución de prueba se volverá más ácido o básico. Si se registra en una curva el desarrollo del valor pH a través de todo el desarrollo de la reacción, es posible determinar la cantidad a raíz del punto de equivalencia (valor pH 7). § Métodos instrumentales. Se basan en la medida de alguna propiedad física del analito denominada señal analítica relacionada con la naturaleza del analito y su concentración. Algunos ejemplos son: - Conductividad. Depende de la concentración de iones presentes y se requiere un conductímetro. - Potencial. Mide la diferencia de potencial eléctrico entre dos electrodos. - Absorción. Mide cuánta luz de una longitud de onda específica es absorbida por un analito en solución (puede absorber ultravioleta, visible, etc.). La técnica se denomina espectrofotometría UV-Vis. - Emisión de luz. Mide la luz emitida por un analito que ha sido excitado por una fuente externa de energía. En la espectroscopía de emisión atómica se analiza la concentración de metales, como el sodio o el potasio. § Métodos separativos. Se basan en la separación de los analitos presentes en una muestra compleja (líquida o gaseosa) que se somete al proceso de elución (cromatografía) o a una diferenciación por movilidades eléctricas (electroforesis). Posteriormente, tiene lugar su identificación y/o determinación mediante detección instrumental. 1. Tipos de métodos instrumentales Métodos ópticos. Hay diferentes tipos de métodos instrumentales ópticos según la propiedad fisicoquímica del analito y el tipo de interacción con la radiación. Tipo de interacción con Propiedad fisicoquímica del analito Método instrumental radiación - Espectroscopía de emisión (rayos X, visible, de electrones). Emisión de radiación El analito emite radiación - Fluorescencia - Fosforescencia - Luminiscencia - Espectrofotometría y fotometría Absorción de radiación El analito absorbe radiación (rayos X, UV, visible, IR) - Resonancia magnética nuclear - Resonancia de espín electrónico Dispersión de la radiación El analito dispersa la radiación Turbidimetría y nefelometría Refracción de la radiación La radiación cambia de dirección y velocidad Refractometría e interferometría Difracción de la radiación La radiación es difractada por el analito - Difracción de rayos X - Difracción de electrones Rotación de la radiación La radiación polarizada cambia su plano - Polarimetría - Dispersión rotatoria óptica - Dicroísmo circular La polarimetría es la medición de la rotación angular de sustancias ópticamente activas en un plano de luz polarizada. 1 Métodos eléctricos. Hay diferentes tipos según la propiedad eléctrica. Propiedad eléctrica Método instrumental Definición 1. Mide el potencial de una solución electroquímica sin pasar corriente Potencial eléctrico 1. Potenciometría 2. Mide el cambio de potencial a lo largo del 2. Cronopotenciometría tiempo en una celda electroquímica durante la aplicación de una corriente constante Mide la cantidad de electricidad (carga total) Carga eléctrica Coulombimetría necesaria para completar una reacción química en una celda electroquímica Corriente eléctrica Amperometría Mide la corriente que fluye en una celda electroquímica Resistencia eléctrica Conductimetría Mide la capacidad de una solución para conducir corriente eléctrica, relacionada con la concentración de iones presentes en la solución La electrólisis es el proceso por el que elementos de un compuesto se separan mediante la aplicación de electricidad. Hay dos tipos, la macroelectrólisis y la microelectrólisis. Característica Macroelectrólisis Microelectrólisis Escala Aplicada a grandes volúmenes de solución Aplicada a volúmenes pequeños o microscópicos Tamaño de los electrodos Electrodos grandes (cm) Microelectrodos (μm-nm) Intensidad de la corriente Corriente de alta intensidad (mA-A) Corriente de baja intensidad (nA-μA) Ejemplos Coulombimetría, electrogravimetría, Cronoamperometría, voltamperometría, cronopotenciometría, electrólisis de agua espectroscopía de impedancia para la producción de hidrógeno, síntesis electroquímica, estudios de reacción redox de productos químicos a grande escala en microcámaras, análisis de movilidad iónica en células Tiempo de operación Mayor tiempo de operación debido a la Tiempo de operación reducido cantidad de material Aplicaciones - Procesos industriales, purificación a - Estudios electroquímicos detallados, gran escala análisis a nivel celular - Electrólisis de sales metálicas para - Microelectrólisis para estudiar obtener metales puros reacciones redox a nivel microscópico - Producción de cloro y sosa cáustica, - Análisis de la composición de procesos de galvanoplastia microfluidos, estudios de microbios en (electrodeposición), tratamiento de ambientes acuáticos aguas residuales Métodos diversos. Hay diferentes tipos según propiedades diversas. Propiedad Método instrumental Definición Masa Gravimetría y microbalanza de Mide la masa de un analito o cambios de pequeños cristal de cuarzo en masa Razón masa-carga Espectrometría de masas Mide la relación masa-carga de iones para identificar y cuantificar compuestos Velocidad de reacción Métodos cinéticos Mide la velocidad de una reacción química para determinar concentraciones Propiedades térmicas Conductividad térmica, gravimetría Mide la capacidad de un material para conducir y titulometría térmica, análisis calor o analiza cambios de masa y temperatura térmico diferencial y métodos de relacionados con el calor entalpía Radiactividad Métodos de activación isotópica y Utiliza isótopos radiactivos para cuantificar métodos de dilución isotópica elementos trazadores o determinar la concentración de un analito 2. Característica de los instrumentos analíticos Los instrumentos analíticos transforman o convierten la información relacionada con las propiedades físicas o químicas de un analito en datos que pueden ser interpretados/manipulados por los seres humanos. 2 § Un estímulo, que es una fuente de energía que puede ser de diferentes tipos (eléctrica, electromagnética, mecánica, o nuclear), interactúa con el analito. Esta interacción da lugar a una respuesta, que es un fenómeno que sigue leyes fundamentales de la Química y la Física. § Estos dispositivos miden y transforman una respuesta observable, generada por la interacción entre el estímulo y el analito, en un dato cuantificable y útil para el análisis. Los instrumentos analíticos son esenciales para comprender cómo se obtienen y se interpretan los datos en análisis científicos. Característica Definición Naturaleza de la respuesta Tipo de señal generada (eléctrica, óptica, térmica o mecánica) Magnitud de la respuesta Intensidad o cantidad de la señal producida por el instrumento Exactitud y precisión Proximidad al valor verdadero y reproducibilidad de los resultados Sensibilidad Capacidad del instrumento para detectar pequeñas cantidades de analito Límite de detección (LOD) Menor cantidad de analito que el instrumento puede detectar de forma confiable Intervalo lineal o rango de trabajo Rango de concentraciones en el que la respuesta es proporcional a la concentración del analito Tiempo de respuesta y velocidad de análisis Rapidez con la que se genera la señal y cantidad de muestras que pueden analizarse en un tiempo dado Un ejemplo es la determinación de la intensidad de la luz antes (I0) y después (I) de su interacción con la muestra mediante espectroscopía de absorción. La información contenida en la muestra se transforma a un sistema de información numérica o gráfica de carácter eléctrico. Los dominios de los datos se pueden clasificar en: § Dominios eléctricos. Utilizan propiedades eléctricas para codificar la información (voltaje, intensidad de corriente). § Dominios no eléctricos. Utilizan propiedades físicas o químicas que no dependen de la electricidad (longitud, densidad, presión, intensidad de luz, composición química). Un instrumento para un análisis químico suele estar constituido como máximo por cuatro componentes fundamentales: § Generador de señales. Produce una señal que indica la presencia del analito y que está relacionada con su concentración. § Detector. Convierte un tipo de energía (señal) en otra. § Procesador de señales. Modifica la señal convertida por el detector (por ej. amplificación de la señal). § Dispositivo de lectura. Convierte la información obtenida por el equipo a otra que sea comprensible por el observador (por ej. pantalla). 3