Métodos instrumentales
de análisis.
Química para
Sistemas.
Stancato Paolo
21/11/2001
Comisión 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.
Métodos de emisión.
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.
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 especialmente 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.
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