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1 MATERIAL EN REVISIÓN UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA FACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS E INGENIERÍA QUÍMICA ANALÍTICA INSTRUMENTAL JOSÉ HUMBERTO GUERRERO RODRÍGUEZ BOGOTÁ, D.C. ENERO DE 2006

QUÍMICA ANALÍTICA INSTRUMENTAL MATERIAL … · 1. Estructura del informe 131 1.1 Título de la práctica 131 1.2 Objetivos de la práctica 131 1.3 Teoría 132 1.4 Procedimiento

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UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA

FACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS E INGENIERÍA

QUÍMICA ANALÍTICA INSTRUMENTAL

JOSÉ HUMBERTO GUERRERO RODRÍGUEZ

BOGOTÁ, D.C. ENERO DE 2006

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UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA FACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS E INGENIERÍA

MÓDULO

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PRIMERA UNIDAD. FUNDAMENTOS DE LA QUÍMICA ANALÍTICA 55 1. Palabras clave 55 2. Propósitos 55 3. Objetivos 55 4. Competencias 56 5. Metas de aprendizaje 56 ESQUEMA CONCEPTUAL DE LA UNIDAD 57 ACTIVIDADES INICIALES 58 INTRODUCCIÓN 64 TEMA 1. FUNDAMENTOS DE LA QUÍMICA ANALÍTICA 66 1. Conceptos, clases y campos de aplicación 66 2. Métodos de análisis 67 3. Valoración del método analítico 68 3.1 Desarrollo del método analítico 68 3.2 Condiciones del método analítico 69 ACTIVIDAD DE APRENDIZAJE 1 71 TEMA 2. REACCIONES QUÍMICAS EN LOS ANÁLISIS QUÍMICOS 75 1. Clasificación de las reacciones 75 1.1 Reacciones ácido – base 75 1.2 Reacciones de precipitación 76 1.3 Reacciones de oxidación – reducción 76 1.4 Reacciones de hidrólisis 76 1.5 Reacciones de formación de complejos 77 2. Cinética y equilibrio químico 77 2.1 Cinética química 77 2.2 Equilibrio químico 79 3. Criterios para la resolución de problemas en Química Analítica 82 ACTIVIDAD DE APRENDIZAJE 2 83 TEMA 3. PREPARACIÓN PARA EL ANÁLISIS QUÍMICO 84 1. La muestra 84 2. Material de vidrio 86 3. Descomposición de la muestra 87 4. Equipo de laboratorio 87 ACTIVIDAD DE APRENDIZAJE 3 88 TEMA 4. OBTENCIÓN Y MANEJO DE DATOS 90 1. Sistema Internacional de Medidas 91 2. El error asociado a las mediciones experimentales 94 2.1 Errores accidentales o groseros 95 2.2 Errores aleatorios o indeterminados 96 2.3 Errores sistemáticos 96 2.3.1 Errores instrumentales de medición 96 2.3.2 Errores por el método de medición 97 2.3.3 Errores de instalación 97 3. Precisión y exactitud en las mediciones analíticas 97 3.1 Determinación de los errores en un análisis químico 99 3.1.1 Determinación de la precisión del resultado 100 3.1.2 Propagación del error 105 3.1.2.1 Suma y resta 106 3.1.2.2 Multiplicación y división 106 3.1.2.3 Potenciación 106 3.2 Estimación de las cifras significativas 107 3.2.1 Reglas para la determinación del número de cifras significativas 107 3.2.2 El resultado final 107 4. Determinación de la muestra y criterio de aceptación de datos 108 4.1 Significado estadístico de muestra 108 4.2 Criterios para la aceptación de datos 108

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4.2.1 El contraste de Dixon (Contraste Q) 108 4.2.2 El contraste de Grubbs 109 ACTIVIDAD DE APRENDIZAJE 4 111 ACTIVIDADES DE PROFUNDIZACIÓN Y TRANSFERENCIA 113 ACTIVIDADES DE LABORATORIO 114 LA SEGURIDAD EN EL LABORATORIO QUÍMICO 115 1. Riesgos en el laboratorio 115 1.1 Riesgos con compuestos químicos 115 2. Almacenamiento de los reactivos 126 GUÍA PARA LA PRESENTACIÓN DE INFORMES DE LABORATORIO 130 1. Estructura del informe 131 1.1 Título de la práctica 131 1.2 Objetivos de la práctica 131 1.3 Teoría 132 1.4 Procedimiento 134 1.5 Datos experimentales 136 1.6 Cálculos 137 1.7 Resultados 137 1.8 Análisis de resultados 137 1.9 Conclusiones 139 1.10 Bibliografía 139 2. Algunas normas para la redacción del informe 139 3. Normas de seguridad 141 4. Recomendaciones para el uso de los equipos de análisis químico 142 4.1 Cuidados con la balanza 142 4.2 Cuidados con la centrífuga 142 4.3 Cuidados con las buretas 142 INTRODUCCIÓN AL ANÁLISIS CUALITATIVO 144 1. Análisis cualitativo de cationes 144 2. Análisis cualitativo de aniones 147 3. Procedimiento 149 3.1 Análisis cualitativo del grupo I de cationes 149 3.2 Análisis cualitativo de algunos aniones 151 4. Tratamiento de datos 153 DETERMINACIÓN DEL PESO DE UN GRANO DE UN CEREAL COLOMBIANO 154 1. Procedimiento 155 2. Tratamiento de datos 156 SEGUNDA UNIDAD. MÉTODOS CLÁSICOS DE ANÁLISIS 1. Palabras claves 2. Propósitos 3. Objetivos 4. Competencias 5. Metas de aprendizaje ESQUEMA CONCEPTUAL DE LA UNIDAD TEMA 1. GRAVIMETRÍA 1. Solubilidad 2. Equilibrio químico y reacciones de precipitación 2.1 Conceptos generales 2.2 Factores que influyen a la constante de producto de solubilidad 2.2.1 Efecto de la temperatura 2.2.2 Efecto del ion común 2.2.3 Efecto del ion no común 3. La técnica de la gravimetría 3.1 Condiciones 3.2 Métodos

3.2.1 Técnicas de electrodeposición

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3.2.2 Técnicas de precipitación 3.2.3 Técnicas de volatilización 3.3 Metodología en el análisis gravimétrico 3.4 Manejo de los datos y expresión de resultados ACTIVIDAD DE APRENDIZAJE 5 TEMA 2. VOLUMETRÍA 1. Conceptos 2. Fundamentos de la titulometría 3. Clases de análisis titulométricos 3.1 Volumetría ácido – base 3.1.1 Autoprotólisis del agua 3.1.2 La fuerza de ácidos y bases 3.1.3 Hidrólisis de sales 3.1.3.1 Sales de ácidos y bases fuertes 3.1.3.2 Sales de ácido débil y base fuerte 3.1.3.3 Sales de ácido fuerte y base débil 3.1.3.4 Sales de ácido débil y base débil 3.1.3.5 Sales que producen aniones dipróticos 3.1.4 Soluciones tampón o buffer 3.1.5 El problema del indicador y el punto final ACTIVIDAD DE APRENDIZAJE 6 3.2 Volumetría de precipitación 3.2.1 Argentometría 3.2.1.1 Titulación de Mohr 3.2.1.2 Titulación del Volhard ACTIVIDAD DE APRENDIZAJE 7 3.3 Volumetría Redox 3.3.1 Permanganimetría 3.3.2 Yodometría ACTIVIDAD DE APRENDIZAJE 8 3.4 Volumetría de iones complejos 4. La técnica de la volumetría 4.1 Condiciones 4.1.1 El material volumétrico 4.1.1.1 Matraces o balones aforados 4.1.1.2 Pipetas graduadas y aforadas 4.1.1.3 Buretas 4.1.1.4 Probetas 4.2 Metodología de la titulación 4.2.1 Preparación de soluciones 4.2.2 Estandarización de las soluciones 4.2.3 Alícuota o volumen de la muestra 4.2.4 Purga y carga de la bureta 4.2.5 Titulación de la muestra 4.2.6 Registro de resultados 4.3 Manejo de datos y expresión de resultados ACTIVIDADES DE LABORATORIO HUMEDAD, VOLÁTILES, EXTRACTO ETÉREO Y FIBRA CRUDA EN

ALIMENTOS

1. Procedimiento 1.1 Humedad y volátiles 1.2 Extracto etéreo 1.3 Fibra cruda 2. Expresión de resultados 2.1 Humedad, volátiles y sólidos totales 2.2 Extracto etéreo

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2.3 Fibra cruda 3. Informe ÍNDICE DE ACIDEZ 1. Procedimiento 1.1 Preparación de la solución de hidróxido de sodio 1.2 Estandarización de la solución de hidróxido de sodio 1.3 Determinación del índice de acidez 2. Cálculos DETERMINACIÓN DE NITRÓGENO EN ALIMENTOS 1. Procedimiento 1.1 Preparación de reactivos 1.2 Digestión 1.3 Destilación 1.4 Titulación 2. Cálculos 3. Informe CENIZAS Y DETERMINACIÓN DE CALCIO POR PERMANGANOMETRÍA 1. Procedimiento 1.1 Determinación de las cenizas 1.2 Solubilización de las cenizas 1.3 Preparación de la solución de permanganato de potasio 0,1 N 1.4 Estandarización de la solución de permanganato de potasio 1.5 Determinación del calcio 2. Cálculos 3. Informe DETERMINACIÓN DE CLORUROS MEDIANTE LA TÉCNICA DE VOLHARD 1. Procedimiento 1.1 Preparación solución estándar de nitrato de plata 1.2 Estandarización de la solución de nitrato de plata 1.3 Preparación de la solución de tiosulfato o tiocianato de amonio o potasio 0,1 N 1.4 Estandarización de la solución de tiosulfato 1.5 Preparación de la muestra 1.6 Valoración de Volhard 2. Cálculos 3. Informe ÍNDICE DE YODO EN ACEITES COMESTIBLES 1. Procedimiento 1.1 Preparación de la solución halogenante de Wijs 1.2 Preparación de otros reactivos 1.3 Preparación de la solución de tiosulfato de sodio 0,1 N 1.4 Estandarización de la solución de tiosulfato de sodio 0,1 N 1.5 Preparación de la muestra 1.6 Determinación del Índice de Yodo 2. Cálculos 3. Informe ACTIVIDAD DE PROFUNDIZACIÓN Y TRANSFERENCIA TERCERA UNIDAD. MÉTODOS INSTRUMENTALES DE ANÁLISIS 1. Palabras claves 2. Propósitos 3. Objetivos 4. Competencias 5. Metas de aprendizaje ESQUEMA CONCEPTUAL DE LA UNIDAD INTRODUCCIÓN TEMA 1. pH – METRÍA 1. Fundamento de los métodos instrumentales

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1.1 Clasificación de los métodos instrumentales 1.2 Condiciones analíticas de los métodos instrumentales 2. Fundamentos de la pH – metría 3. Equipo utilizado en pH – metría 3.1 Electrodo Normal de Hidrógeno (E.N.H.) 3.2 Electrodo de calomel saturado 3.3 Electrodo de vidrio 4. Procedimiento 4.1 Preparación de la muestra 4.2 Calibración del pH – metro 4.3 Determinación analítica 4.4 Tratamiento de los datos ACTIVIDAD DE APRENDIZAJE 9 TEMA 2. ESPECTROFOTOMETRÍA 1. Principios 1.1 Radiación electromagnética 1.2 El espectro electromagnético 1.3 Interacción radiación electromagnética – sustancias 1.3.1 Procesos de absorción y emisión de energía electromagnética 1.3.2 Fenómenos asociados a la emisión y absorción de energía electromagnética 1.3.2.1 Espectroscopia visible 1.3.2.2 Espectroscopia ultravioleta 1.3.2.3 Espectroscopia infrarroja 1.3.2.4 Espectroscopia de absorción atómica 1.4 Leyes de absorción o de Bourguer – Lambert – Beer 1.4.1 Ley de Lambert 1.4.2 Ley de Beer 1.4.3 Ley de Bourguer – Lambert – Beer 1.4.4 Desviaciones de la Ley de Beer 1.4.4.1 Desviaciones de origen químico 1.4.4.2 Desviaciones de origen físico 2. Equipo instrumental 2.1 Fuentes de radiación electromagnética 2.2 Sistema monocromador 2.3 Porta muestras y celdas 2.4 Detector – transductor 2.5 Sistema de amplificación, transformación y comparación 2.6 Sistema de registro 3. Procedimiento 3.1 Condiciones del método 3.2 Material de laboratorio 3.3 Preparación de las muestras 3.4 Características de la reacción 3.5 Espectros de absorción y selección de la radiación apropiada 3.6 Curva de calibración 3.7 Ajuste por mínimos cuadrados 3.8 Determinación de la concentración del problema ACTIVIDAD DE APRENDIZAJE 10 TEMA 3. CROMATOGRAFÍA 1. Métodos de separación y purificación 1.1 Métodos clásicos 1.2 Destilación 1.2.1 Destilación simple 1.2.2 Destilación fraccionada 2. CROMATOGRAFÍA 2.1 Fundamentos

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2.2 Clases de cromatografía 2.2.1 Según el fenómeno predominante 2.2.1.1 Cromatografía de adsorción 2.2.1.2 Cromatografía de reparto 2.2.1.3 Cromatografía de intercambio iónico 2.2.1.4 Cromatografía de filtración por gel o de tamices moleculares 2.2.2 Cromatografías según las fases implicadas 2.3 Criterios para la selección de la clase de cromatografía 3. Cromatografía en papel 3.1 Principio 3.2 Equipo empleado 3.2.1 Fase estacionaria 3.2.2 Aplicadores 3.2.3 Cámaras 3.2.4 Eluyentes o solventes 3.2.5 Reveladores 3.2.6 Atomizadores 3.3 Procedimiento 3.3.1 Preparación de la muestra 3.3.2 Corte del papel 3.3.3 Ensayo de concentración 3.3.4 Ensayo para elegir eluyentes y desarrollo 3.3.5 Revelado 3.4 Aplicaciones 3.4.1 Cromatografía preparativa en papel 3.4.2 Cromatografía cuantitativa en papel 3.4.2.1 Determinación in situ 3.4.2.2 Determinación por extracción 4. Cromatografía en capa delgada 4.1 Principios 4.2 Equipos 4.2.1 Sorbentes o fase estacionaria 4.2.1.1 Gel de sílice 4.2.1.2 Alúmina 4.2.1.3 Kieselghur o tierra de diatomáceas 4.2.1.4 Celulosa 4.2.1.5 Poliamida 4.2.1.6 Óxido de magnesio 4.2.1.7 Geles de filtración 4.2.1.8 Otros sorbentes 4.2.2 Placas 4.2.3 Eluyentes y reveladores 4.2.4 Las cámaras 4.3 Procedimientos 4.3.1 Activación de las placas 4.3.2 Concentración a aplicación de la muestra 4.3.3 Elección del sistema eluyente 5. Cromatografía en columna 5.1 Fundamentos 5.2 Equipo utilizado 5.2.1 Columnas 5.2.2 Sorbentes 5.2.2.1 Resina de intercambio iónico 5.2.2.2 Sorbentes para filtración por gel 5.2.3 Eluyentes 5.3 Procedimiento

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5.3.1 Técnicas de empaque de la columna 5.3.2 Aplicación de la muestra 5.3.3 Elusión 5.3.4 Detección de las sustancias separadas 6. Cromatografía de gases 6.1 Principios 6.2 Equipo y condiciones previas 6.2.1 Gas de transporte o fase móvil 6.2.2 Introducción de la muestra 6.2.3 Columnas 6.2.3.1 Tubería 6.2.3.2 Tamaño: diámetro y longitud de la columna 6.2.3.3 Longitud 6.2.3.4 Soporte sólido para la fase líquida 6.2.3.5 Fase líquida 6.2.3.6 Preparación de la columna 6.2.3.7 Evaluación de la columna 6.2.4 Temperatura de la columna 6.2.5 El detector 6.2.5.1 Detector de conductividad térmica (DTC) 6.2.5.2 Detector de ionización por llama (DILL) 6.2.5.3 Detector de captura de electrones (DCE) 6.2.6 Registrador 6.3 Metodología 6.3.1 Análisis cualitativo 6.3.2 Análisis cuantitativo 6.3.2.1 Altura del pico 6.3.2.2 Área del pico 6.3.2.3 Normalización 6.3.2.4 Factores de corrección 6.3.2.5 Calibración absoluta 6.3.2.6 Calibración relativa o estandarización interna 7. Cromatografía líquida de alta eficiencia o HPLC 7.1 Fundamentos 7.2 Equipo y preparación de la muestra 7.3 Metodología ACTIVIDAD DE APRENDIZAJE 11 ACTIVIDADES DE LABORATORIO DETERMINACIÓN DEL pH DE UNA MUESTRA 1. Procedimiento 1.1 Calibración del pH – metro 1.2 Lectura del pH en la muestra 2. Tratamiento de los datos TITULACIÓN POTENCIOMÉTRICA 1. Procedimiento 1.1 Preparación de la muestra 1.2 Calibración del pH – metro 1.2 Desarrollo de la curva de titulación potenciométrica 2. Cálculos 3. Informe DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE VITAMIA C MEDIANTE

ESPECTROFOTOMETRÍA

1. Procedimiento 1.1 Preparación de la curva de calibración 1.2 Preparación del equipo

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1.3 Preparación de la muestra 1.4 Determinación espectrofotométrica del contenido de vitamina C 2. Cálculos 2.1 Transformación a absorbancia 2.2 Diseño de la curva de calibración 2.3 Determinación de la concentración de vitamina C en la muestra 3. Informe EXTRACCIÓN Y PURIFICACIÓN DE CAROTENO POR CROMATOGRAFÍA DE

COLUMNA Y OBTENCIÓN DE SU ESPECTRO

1. Procedimiento 1.1 Preparación de la columna 1.2 Preparación de la muestra 1.3 Desarrollo de la cromatografía 1.4 Obtención del extracto de carotenos 1.5 Obtención del espectro de absorción visible 2. Cálculos 2.1 Elaboración del espectro de absorción visible 3. Informe ACTIVIDAD DE PROFUNDIZACIÓN Y TRANSFERENCIA

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PRIMERA UNIDAD

FUNDAMENTOS DE LA QUÍMICA ANALÍTICA

1. Palabras clave. Análisis químico, Análisis Cualitativo, Análisis Cuantitativo, Equilibrio Químico, Cinética Química, Muestra, Datos, Análisis de Datos, Reacción Química, Reacción ácido – base, Gravimetría, Reacción de oxidación – reducción, Complejos.

2. Propósitos. Al ser la Química Analítica Instrumental una disciplina de la Química, comparte los fundamentos teóricos, metodológicos y procedimentales de la denominada Química General ya que tiene en cuenta fenómenos de reacción con la finalidad de obtener datos al modificar el comportamiento de los mismos de modo que produzca un resultado visible (aparición de un precipitado, de un cambio de color o de su potencial químico) detectable por nuestros sentidos, de modo que nos de alguna certeza de su composición o de su cantidad. Se inicia describiendo el campo específico de la Química Analítica. Luego se estudia brevemente la reacción química desde el punto de vista de su velocidad y de su capacidad de alcanzar el equilibrio, las condiciones que la dirigen y los factores que externamente se pueden influenciar conforme al interés particular de su aplicación. El análisis químico conlleva la aparición de un dato, el cual puede ser valorado mediante un conjunto de criterios que permiten valorar su reproducibilidad, el rango de variación del mismo, los errores que se pueden cometer en su obtención, los criterios para su valoración y las posibles formas estadísticas de refinarlos.

3. Objetivos.

I. Comprender y aplicar los fundamentos conceptuales y metodológicos de la química analítica como son los de cinética y equilibrio químico, las reacciones químicas que se pueden utilizar para determinaciones cualitativas y cuantitativas, las técnicas para preparación de muestras para análisis y los criterios a tener en cuenta para ordenar un análisis químico.

II. Establecer un método para el estudio de los conceptos fundamentales de la Química Analítica. III. Determinar cuáles son los criterios que permitirán la formulación de las mejores

recomendaciones para la muestra analizada o para su rechazo definitivo.

4. Competencias. En esta unidad el estudiante comenzará a determinar el campo real de trabajo de la Química Analítica Instrumental al comprender sus fundamentos, su subdivisión dependiendo del propósito del mismo: conocer si existe o no determinada sustancia o

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determinar la cantidad de la misma que existe en una determinada muestra, las condiciones que debe cumplir la muestra para que sea representativa, cómo se conserva y como debe prepararse antes de utilizar cualquier método analítico. Debe comenzar a estructurar su propio método de estudio, utilizando las estrategias que ha venido desarrollando en otros cursos al efectuar la adecuada combinación entre estudio individual, trabajo en grupo colaborativo y en grupo de curso ya que todos ellos le ayudan a alcanzar las metas del mismo. Necesariamente requiere el desarrollo de criterios que le permitan efectuar valoraciones y recomendaciones sobre las condiciones que debe cumplir una muestra y que necesariamente se han predeterminado.

5. Metas de Aprendizaje. Conocer el campo de trabajo de la Química Analítica Instrumental, las clases de análisis, los fundamentos químicos que sustentan los métodos analíticos, los procedimientos y técnicas para la obtención y conservación de la muestra, lo mismo que los procesos requeridos para la valoración de datos en términos de su reproducibilidad dentro de un análisis. Establecer su propio método de trabajo para la selección de las muestras y su preparación y definición de los criterios para ordenar unos análisis químicos cualitativos o cuantitativos o ambos de ser necesario. Definir el procedimiento a seguir para establecer los criterios de análisis de datos y sus resultados.

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ESQUEMA CONCEPTUAL DE LA UNIDAD

QUÍMICA ANALÍTICA

Estudia

FUNDAMENTOS, PROCESOS, MÉTODOS,

VALORACIÓN DE RESULTADOS

Expresados

CUALITATIVA CUANTITATIVA

De un:

ANALITO

Presente en:

MUESTRA

Cuyos

RESULTADOS

Deben ser:

PRECISOS EXACTOS

Valorando su:

ERROR ABSOLUTO PROPAGACIÓN ERROR ERROR RELATIVO

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ACTIVIDADES INICIALES El presente taller tiene como propósito que usted pueda determinar cómo están sus conocimientos previos requeridos para el desarrollo del curso de Química Analítica e Instrumental. Vamos a revisar sus conceptos de átomo, notación espectral, tabla periódica, familias, grupos, nomenclatura, reacciones químicas, balance de ecuaciones, soluciones y concentración de soluciones que son necesarios para abordar con éxito el trabajo académico de este curso. Se presentan problemas que se deben analizar cuidadosamente para manifestar si son correctos o no, resolver para obtener un resultado y elaborar un concepto en caso de que no se encuentre una posible solución al mismo. Inicialmente se debe realizar de manera individual, luego se hace en pequeño grupo y finalmente pasar a consulta con su tutor en una sesión de tutoría ya que si no se alcanzan los resultados esperados (se propone un 80%) es necesario que se diseñe una estrategia para que se puedan repasar nuevamente esos conceptos y volver a intentar la solución del taller. Si se dominan, seguramente van a tener un éxito permanente en el desarrollo del curso. Como criterio para la realización de la valoración de los resultados es que acumule diez puntos por cada pregunta, situación o problema correctos. De lo contrario, asigne cero (se considera que domina todo o no lo logra). Haga la sumatoria de todos los puntos; si logra un porcentaje mínimo equivalente al 70 %, puede continuar con el estudio del material. Si no lo alcanza, no se desespere planee junto con su tutor un mecanismo remedial para alcanzar los propósitos esperados en aquellos resultados deficientes y que ha podido detectar al calificar su examen. Repita nuevamente la prueba; esperamos que alcance los resultados esperados. Es importante que tome conciencia por sí mismo del dominio suficiente de conceptos y las metodologías de resolución de problemas para que pueda atender eficientemente su trabajo académico con los conceptos y fundamentos de los métodos analíticos. Propósito. Revisar su grado de dominio de los conceptos, métodos estándar y forma de reportar los resultados de resolución de problemas de la química básica, como conocimientos previos para el curso de Química Analítica Instrumental. Desarrollo del Taller Seleccione para las siguientes preguntas, la respuesta correcta encerrándola en un círculo:

1. La mejor definición de sustancia es:

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a. Parte de materia homogénea o heterogénea. b. Porción de materia que ocupa un lugar en el espacio y tiene volumen. c. Parte de la materia que ocupa un lugar en el espacio y tiene masa. d. Porción de materia que puede ser sólida, líquida, gaseosa o una mezcla.

2. La diferencia entre masa atómica y número atómico es:

a. El número atómico representa la cantidad de neutrones que tiene el átomo. b. La masa atómica se representa por A y el número atómico por Z. c. El número atómico equivale a la cantidad de electrones que tiene el átomo. d. La masa atómica es la suma de protones y neutrones del átomo dado.

3. El hecho de que un átomo pueda absorber o emitir energía radiante luminosa

demuestra:

a. El movimiento de los electrones a niveles superiores o inferiores absorbiendo o emitiendo energía.

b. La presencia de capas con energía cuantizada donde se puede intercambiar protones con electrones entre núcleo y capa electrónica.

c. Que en cada nivel sólo existe un número definido de electrones y si se llega a encontrar de más no obedece las leyes del átomo.

d. La facilidad de reacción química que tiene la sustancia que exhibe el fenómeno.

4. En la Tabla Periódica de los elementos, una familia representa átomos:

a. Con igual número de capas electrónicas, con igual número de electrones. b. Que tienen el mismo número de electrones en su último nivel. c. Que por su afinidad electrónica pueden formar moléculas entre sí. d. Con el mismo número de niveles pero diferente cantidad de electrones.

5. La valencia en un átomo significa:

a. El potencial electrónico del elemento. b. Su capacidad para formar cationes. c. Su capacidad para transferir electrones. d. Su capacidad de combinación.

6. El enlace covalente ocurre:

a. Por polarización de los átomos participantes en el enlace. b. Por cesión de electrones debido a diferente electronegatividad de átomos. c. Por compartición de un par electrónico entre orbitales semillenos. d. Para mantener la estabilidad definida en la Regla del Octeto.

7. Un enlace covalente coordinado se caracteriza porque:

a. Los átomos adquieren la estructura de un gas noble. b. Se comparten electrones entre los átomos implicados.

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c. Un átomo aporta el par de enlace y el otro el orbital. d. Los átomos tienen diferente potencial de ionización y afinidad.

8. Un enlace iónico se presenta entre dos átomos:

a. Con la misma notación espectral pero son de diferentes familias. b. En que uno de ellos puede sufrir hibridación entre los niveles s y p. c. En que uno tiene bajo potencial de ionización y el otro alta afinidad

electrónica. d. Que pertenecen a familias que se encuentran opuestos en la tabla

periódica.

9. La tendencia de ocurrencia de una reacción química se debe a:

a. La rápida formación del complejo activado. b. La diferencia de energía reactivo – producto. c. El medio en que ocurre la reacción química. d. Las condiciones de pH, temperatura y presión.

10. El equilibrio químico que presentan las reacciones químicas se comprende como:

a. Velocidad de descomposición igual a velocidad de formación. b. La relación de iguales cantidades de reactivos a iguales cantidades de

productos. c. Las concentraciones de las sustancias afectadas por sus coeficientes

estequiométricos. d. La relación con las condiciones de pH, temperatura, presión, agitación y

adición de reactivos.

11. La función química es:

a. El grupo funcional que caracteriza a un conjunto de sustancias. b. La organización de los átomos que componen un compuesto dado. c. Las propiedades fisicoquímicas que tiene un compuesto. d. La proporción de átomos que se encuentran en su fórmula química.

12. El fundamento del balance de las ecuaciones químicas es la ley de:

a. Las proporciones múltiples. b. La conservación de la materia. c. Las presiones parciales. d. La periodicidad química.

13. En las reacciones de oxidación – reducción, la sustancia que se oxida:

a. Modifica su valencia. b. Es agente reductor. c. Produce corriente. d. Acepta electrones.

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14. La normalidad y la molaridad de una sustancia se diferencian de su molalidad por

la relación de:

a. Masa de soluto con respecto a la de solvente. b. Moles de soluto con respecto a los del solvente. c. Moles de soluto con respecto al volumen de solución. d. Volumen del soluto con respecto al volumen de solución.

15. Escriba la fórmula química de los compuestos que tienen los siguientes nombres:

Óxido de rubidio, ácido arsénico, óxido cálcico, ácido bromhídrico, óxido de estaño (II), ácido selenhídrico, óxido fosfórico, ácido antimónico, óxido perclórico, ácido piroarsénico, ácido metafosfórico, ácido metabórico, ácido hiponitroso, ácido disulfuroso, ácido pirosulfúrico, ácido titriocarbónico, ácido piropermangánico, clorato potásico, ácido pirocromoso, sulfito de bario, hidróxido de platino (II), sulfito de bario, hidróxido de níquel (II), nitrato de cadmio, hidróxido ferroso, fosfato aúrico, arseniato de plata, anhídrido selenioso, metasilicato ferroso, anhídrido carbónico, yodato de litio, anhídrido fosfórico, hipofosfito de cesio, anhídrido nitroso, hexahidrógeno pirofosfato cúprico, óxido ferrosoférrico, óxido airoso, bióxido de plomo, óxido plumbosoplúmbico, anhídrido silícico, hidruro niqueloso, peróxido de estroncio.

16. Escriba los nombres químicos para las siguientes sustancias teniendo en cuenta su fórmula química:

B2O3 Li2O2 PbSiO3 SiO2 K2O2 SnBr4 PbO Ca2SO4 HKS P2O5 BaO2 Sr(SeH)2 I2O7 Al2O3 H2S MnO Fe2O3 HF H2CO3 Br2O5 HBr H2CrO4 As2O3 HI HClO3 ZnH2 H2SO2 HMnO4 TeH2 HNO3 H3PO4 H2SO4 H2SO3 KNO2 HgOH Mn2P2O7 Pt(OH)4 Sn(IO3)4 AuOH Cu(OH)2 Fe(OH)2 CuOH

17. ¿Cuáles son las sales y demás productos que se forman cuando reacciona el:

a. hidróxido de potasio con ácido clorhídrico? b. hidróxido de magnesio con ácido sulfhídrico? c. hidróxido de sodio con ácido fosfórico? d. hidróxido de aluminio con ácido carbónico? e. hidróxido férrico con el ácido sulfúrico? f. hidróxido de potasio con el ácido permangánico?

18. Escriba y balancee la ecuación correspondiente a cada una de las siguientes

descripciones:

a. El hidróxido de litio reacciona con el ácido bromhídrico para formar bromuro de litio y agua.

b. En monóxido de carbono reacciona con el pentóxido de yodo para dar bióxido de carbono y yodo.

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c. Al mezclar sulfuro de cobre con oxígeno a alta temperatura, se obtienen cobre y dióxido de azufre.

d. El carbonato de sodio reacciona con ácido clorhídrico para formar cloruro de sodio, bióxido de carbono y agua.

e. El fosfuro de calcio reacciona con agua produciendo fosfina e hidróxido cálcico.

f. La reacción del óxido de vanadio (II) con óxido férrico da pentóxido de vanadio y óxido ferroso.

g. El bicromato potásico reacciona con ácido oxálico (H2C2O4) y ácido sulfúrico para dar sulfato ácido de potasio, sulfato de cromo, bióxido de carbono y agua.

h. El aluminio reacciona con el óxido de plomo para dar plomo y óxido de aluminio.

i. El ozono reacciona con el óxido nítrico y agua produciendo ácido nítrico y oxígeno.

j. El calentamiento del peróxido de bario produce óxido de bario y oxígeno.

19. Las siguientes reacciones son Redox. Por favor, balancéelas por cualquier método (ion – electrón o por número de oxidación):

CuS + HNO3 → Cu(NO3)2 + S + H2O + NO MnSO4 + (NH4)2S2O8 + H2O → MnO2 + H2SO4 + (NH4)2SO4 CoCl2 + KNO2 + CH3COOH → K3Co(NO2)6 + NO + CH3COOK + KCl + H2O K3Fe(CN)6 + Cr2O3 + KOH → K4Fe(CN)6 + K2CrO4 + H2O CdS + I2 + HCl → CdCl2 + HI + S Ag2S + HNO3 → AgNO3 + S + NO + H2O As2S5 + HNO3 → H3AsO4 + H2SO4 + H2O + NO2 P2H4 → PH3 + P4H2 CuO + NH3 → N2 + H2O + Cu

20. Resuelva los siguientes problemas:

a) Al reaccionar el óxido de zinc con monóxido de carbono se producen zinc y

dióxido de carbono. En una combinación de 475,6 g de óxido de zinc con 376,5 g de monóxido de carbono, ¿qué reactivo se encuentra en exceso y cuál como limitante de la reacción? ¿Cuántas moles del reactivo limitante se necesitan para que la reacción sea completa?

b) El sulfito de sodio reacciona con azufre para producir tiosulfato de sodio. Se hacen reaccionar 2,5 moles de sulfito de sodio con un mol de azufre; ¿la reacción es completa? ¿Hay reactivo en exceso y reactivo limitante? ¿Cómo puede hacer para que se combinen todos los reactivos?

c) El peróxido de bario se descompone por el calor en óxido de bario y oxígeno. ¿Cuántos gramos de peróxido de bario se deben descomponer para obtener cinco moles de oxígeno?

d) El vinagre se obtiene por la oxidación del alcohol etílico mediante la reacción:

CH3CH2-OH + O2 → CH3COOH + H2O

¿Cuántos moles de ácido acético se pueden obtener a partir de 560 g de alcohol etílico?

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e) El aluminio reduce al óxido crómico en cromo y óxido de aluminio. ¿Cuánto

cromo se puede obtener de 5000 kg de óxido crómico del 78 % de pureza? f) El bióxido de manganeso reacciona con el sulfato ferroso en medio de

ácido sulfúrico para producir sulfato de manganeso, sulfato férrico y agua. ¿Cuánto sulfato de manganeso se obtiene al hacer reaccionar 500 g de bióxido de manganeso del 45 % de pureza con sulfato ferroso?

g) Explique cómo prepararía 250 g de una disolución de cloruro de bario al 15 % en peso utilizando cloruro de bario dihidratado y agua.

h) Se pesaron 5,0361 g de una solución del ácido sulfúrico, se diluyeron con agua destilada y se les agregó un exceso de cloruro de bario. El precipitado formado de sulfato de bario lavado y seco pesó 4,9768 g. ¿Cuál era el porcentaje de ácido sulfúrico que contenía la solución ácida inicial? La reacción involucrada es:

H2SO4 + BaCl2 → BaSO4 + HCl

i) ¿Qué molaridad tiene una solución de permanganato de bario preparada

disolviendo 36,54 g de la sal en 750 mL de agua? j) Una disolución de ácido hipocloroso tiene una pureza del 35 % y una

densidad de 1,251 g/mL. ¿Cuál es la molaridad y la molalidad de esta solución?

k) ¿Qué volumen de ácido sulfúrico concentrado (densidad 1,19 g/mL y del 93,2 % en peso de ácido sulfúrico) se necesita para preparar 500 mL de ácido 3,5 N?

Este taller tiene programada una sesión de trabajo con el tutor para verificación de las respuestas correctas y la definición de estrategias para establecer las temáticas débiles que deben ser complementadas antes de continuar con el desarrollo del curso.

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INTRODUCCIÓN La unidad uno se propone revisar los fundamentos que tiene esta disciplina de la Química mediante el desarrollo de cuatro temas, una actividad de laboratorio y una actividad de profundización y transferencia, para que adquiera los conocimientos y competencias motoras y afectivas que le permitan comprender la importancia de la Química Analítica Instrumental en su proceso formativo. El primer tema desarrolla el campo de trabajo de la química analítica como herramienta conceptual y metodológica para conocer la composición y la cantidad de cada uno de los elementos o sustancias que se encuentran formando una muestra, a la vez que da criterios para valorar la calidad de los análisis por realizar. El segundo tema se dedica a estudiar el tipo de reacciones químicas que ocurren tanto en las técnicas clásicas de análisis como en algunas de las instrumentales, lo mismo que las condiciones en que se deben realizar dichos análisis para que cumplan con los requisitos definidos en el primer tema. El tercer tema explica los fundamentos y el procedimiento requerido para obtener las muestras para análisis ya sea proveniente de cuerpos sólidos, líquidos o gaseosos y las formas de garantizar su representatividad y conservación ya que en muchos casos pueden sufrir cambios modificando su estructura o su composición afectando los resultados del análisis. Finaliza describiendo las técnicas utilizadas para su adecuación a los distintos análisis, generalmente dejándolas en estado líquido o en una mezcla homogénea (solución). El cuarto tema describe el tratamiento estadístico de los resultados como criterio para valorar la calidad del análisis y garantizar la representatividad de los mismos, de modo que al ser examinados puedan dar indicaciones fidedignas sobre la muestra que están describiendo, su reproducibilidad y consistencia. El quinto tema corresponde a la parte práctica de la unidad diseñada de modo que sirva con dos propósitos, uno ilustrar los fundamentos teóricos tratados en los temas anteriores y otro que sea una oportunidad para practicar con sustancias reales, seleccionadas por el mismo estudiante y avaladas por su docente. Finaliza con una actividad de profundización y transferencia que tiene como finalidad poder aplicar los conceptos tratados en la unidad para su consolidación y aplicación a otros contextos que dentro de su carrera son posibles de efectuar. En ella también se revisa su método de trabajo académico para valorar lo exitoso que está siendo o para darle otra orientación pero que le ayude en lograr su autonomía en aprender. No olvide construir su portafolio, mostrando las estrategias, los ejercicios y las ampliaciones que ha venido realizando para lograr la plena comprensión de su proceso de construcción de conocimiento que le ayudarán a tomar la decisión de presentar o no la evaluación respectiva, como único responsable por su tarea de aprender. Además, es un recurso que le ayudará al tutor para la asignación de las calificaciones pactadas en la guía de actividades.

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TEMA 1.

FUNDAMENTOS DE LA QUÍMICA ANALÍTICA El primer paso en la resolución de una inquietud sobre lo que estamos aprendiendo es preguntarlos por el objeto o las características de lo que estamos estudiando. Si ha revisado cuidadosamente su Guía Académica ya tendrá alguna idea de ello. 1. Concepto, clases y campo de aplicación. Voy a considerar la siguiente definición tomada de un texto clásico de análisis cualitativo: la química analítica trata de los métodos para determinar la composición de las sustancias, de las mezclas de sustancias y de las soluciones1. Si se revisa ese concepto en otros textos o en la experiencia misma, todavía es vigente. La Química Analítica Instrumental es una rama de la Química Aplicada que permite disponer de métodos, técnicas, procedimientos e instrumentos para responder a las preguntas ¿qué es esta sustancia? ¿Qué componentes tiene? ¿En qué cantidad? ¿Cómo se pueden determinar? Quizás el primer análisis fisicoquímico lo relata la anécdota del rey griego que pidió a Arquímedes establecer si la corona que tenía había sido elaborada completamente en la cantidad de oro que le había entregado a su orfebre de confianza, o si lo había remplazado por plata. Al meterse a una tina llena encontró que desplazaba una cantidad de agua, lo cual le dio la idea de hacer una determinación indirecta pidiendo al rey igual cantidad de oro y de plata a la de la corona; después de muchos ensayos midiendo el agua desplazada encontró la proporción correcta de metales que el artesano había utilizado. Actualmente los análisis químicos son la herramienta fundamental para determinar sustancias presentes en productos diversos como metales, polímeros, petróleo, alimentos, medicamentos y en muestras de fluidos orgánicos para buscar metabolitos que se producen por enfermedades y otros. Sin embargo dos preguntas pueden esclarecer el campo de trabajo de la Química Analítica: ¿qué es esto? ¿En qué cantidad se encuentra? La primera se responde utilizando conocimientos, técnicas y procedimientos de la Química Analítica Cualitativa y por lo general se recurre a ella cuando se tiene una muestra desconocida al permitir la detección de qué elementos o radicales están presentes, lo mismo que su origen ya sea inorgánico u orgánico. La segunda se refiere a la Química Analítica Cuantitativa, encargada de efectuar las mediciones de los elementos o los radicales encontrados en la primera manteniendo cierta rigurosidad. Desde que Lavoiseur introdujo el método experimental, la química pudo determinar las leyes fundamentales que la sustentan como las de las proporciones definidas, las de proporciones múltiples y la conservación de la materia que sustentan, entre otras, el campo de conocimiento de la Química. Esto significa que la unidad de trabajo de la química analítica es el análisis químico que comprende los principios fundamentales tanto teóricos como prácticos, el equipo de 1 CURTMAN, Luis J. Análisis Químico Cualitativo. 8 Edición. Manuel Marín y Cía. Editores: Barcelona, 1959. página 1.

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laboratorio requerido, los procedimientos para la preparación de la muestra, su transformación en analito, la realización de la determinación (ya sea cualitativa y/o cuantitativa), las técnicas para la transformación y valoración de los datos para encontrar el resultado esperado. Por ello encontramos ligados los siguientes conceptos a los que se les formula una definición:

• Muestra: Parte representativa de la materia objeto del análisis.

• Analito: Especie química que se analiza.

• Técnica: Medio de obtener información sobre el analito.

• Método: Conjunto de operaciones y técnicas aplicadas al análisis de una muestra. 2. Métodos de Análisis. Es importante tener en cuenta que cuando vamos a realizar un análisis u ordenarlo estamos buscando un propósito. Éste ayuda a orientar claramente al analista puesto que puede disponer de un conjunto de criterios que le ayudan a escoger el procedimiento más adecuado. El primero a tener en cuenta es el origen de la muestra ya sea ésta inorgánica u orgánica. Ello orienta sobre los procedimientos para disponerla para el análisis. El segundo es determinar si se quiere establecer toda la composición de la muestra o simplemente hacer una determinación específica de algunas de las sustancias que allí se encuentran. Ayuda a determinar la complejidad del análisis, el tiempo requerido y su costo. El tercero es definir a qué escala se desea realizar el análisis. Se encuentra en estrecha relación con el tamaño de la muestra y la posible cantidad del analito que se quiere determinar. También define la complejidad del análisis y cuál método se va a utilizar, por lo general se denomina como la escala del análisis la cual puede ser Macro, trabaja con muestras de 0,1 g a 2 g. Semimicro utiliza muestras de 0,01 g a 0,05 g requiriendo técnicas más complejas y precisas que las primeras. Micro, requiere muestras entre uno y pocos miligramos de muestra, por lo general requieren de equipo sofisticado y, por último la escala Ultra micro o Microgramo que va desde 0,001 mg o 1 µg que detecta sustancias traza en una muestra muy grande. Esto nos ilustra el significado de sensibilidad del análisis. En este curso se trabajará a escala Macro. El cuarto es establecer el tipo de análisis por realizar el cual puede ser clásico o instrumental. Técnicas que se estudiarán y aplicarán en este curso. Son técnicas clásicas el análisis gravimétrico en el cual el analito se determina a partir de diferencias en peso y el análisis volumétrico en que las mediciones se hacen a través de titulaciones o determinaciones de volúmenes de soluciones. El análisis instrumental necesita de equipos especializados para efectuar las mediciones bajo ciertas condiciones que garanticen la reproducibilidad. Por último, después de realizados los análisis en el laboratorio se obtiene un conjunto de datos. Estos deben ser analizados cuidadosamente para determinar su calidad utilizando criterios de tipo estadístico conforme a las condiciones en que fueron tomados; en muchos casos hay necesidad de hacer transformaciones matemáticas para reportarlos finalmente como resultados en las condiciones requeridas por el método. Lo anterior nos puede indicar al menos dos cosas, primero que cada método tiene un soporte científico, unos criterios de valoración y un protocolo de desarrollo que se debe observar cuidadosamente ya que en el momento de estandarización de la técnica se estuvieron controlando las diferentes variables que acompañan la realización del análisis y segundo que no necesariamente los datos de laboratorio establecen claramente los

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resultados buscados sino que tiene que hacerse un trabajo de interpretación de los mismos y de verificación de condiciones para que se puedan aceptar. 3. Valoración del Método Analítico. Establecidas anteriormente las condiciones en las que se aplica un método analítico, ahora se estudia cómo se plantea y qué condiciones debe cumplir. 3.1 Desarrollo del Método Analítico. El diseño o selección de un método analítico, requiere de siete etapas2:

i. Planteamiento del problema. ii. Obtención de la muestra para el análisis.

iii. Preparación de materiales, incluyendo patrones. iv. Tratamiento de la muestra, incluyendo separaciones de ser necesario. v. El análisis en sí.

vi. Interpretación y conclusiones. vii. Acciones.

El Planteamiento del problema comprende el estudio del propósito del análisis, su alcance, la tecnología disponible y los resultados esperados sobre todo si tiene que ver con control de calidad. La Obtención de la muestra de análisis, requiere una consideración particular ya que al ser pequeña comparada con la fuente que se desea analizar, debe cumplir con ciertos requerimientos para que realmente sea representativa. Existen técnicas, equipos y procedimientos para la toma de la misma, lo mismo que su conservación y transporte. Sin embargo, cada caso suele ser especial por lo que es necesario tener muy claro el punto anterior para hacer las modificaciones que sean del caso. La Preparación de materiales y patrones, se dedica a considerar los procedimientos de preparación de los reactivos requeridos para el análisis y de algunas sustancias patrones que se utilizan ya sea para monitorear los resultados o eliminar interferencias. Es importante destacar la pureza del reactivo y los solventes utilizados para su dilución ya que se debe evitar, especialmente en el análisis cuantitativo, la adición de sustancias extrañas que puedan interferir en los resultados. Por ello, se debe tener en cuenta la calidad de los reactivos utilizados en los análisis químicos, la cual se denomina de varias formas, entre las que se destacan para análisis o R.A., indicando que cumplen con los estándares definidos por la American Chemical Society y producidos por fabricantes bajo estrictas normas que les permite garantizar una pureza muy alta (cercana al 100% del compuesto) y que no contienen sustancias que puedan interferir con los análisis. De la misma calidad deben ser los patrones utilizados en los ensayos comparativos. En la dilución de los reactivos se debe tener en cuenta cuál es la exactitud de su concentración, lo mismo que su estabilidad química en el tiempo. El Tratamiento de la muestra se refiere a la necesidad de adecuarla a las condiciones del procedimiento, garantizando que el analito se encuentra en la concentración requerida por el método y que no posee interferentes. Si contiene estos últimos, se deben extraer o transformar en otras sustancias que no influyan en los resultados o en el cambio químico fundamento del método. No es raro encontrar en los protocolos de análisis etapas previas de precipitación, separación, extracción o purificación con otras técnicas como la cromatografía para dejar al analito con la pureza requerida. En la etapa del Análisis en sí, está la esencia del método aplicado, es decir si corresponde a técnicas clásicas, instrumentales o trabajos con escalas pequeñas como se había mencionado antes. En Interpretación y conclusiones, está el verdadero trabajo del analista. Al terminar la parte experimental en la última fase, se encuentra la posibilidad de hacer una valoración de los resultados encontrados, compararlos

2 RAMETTE. W, Richard. Equilibrio y análisis químico. Bogotá: Fondo Educativo Interamericano, 1987. páginas 2 – 9.

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con los esperados y derivar conclusiones conforme los intereses que ordenaron el análisis. Si se realiza un control de calidad donde se tiene que encontrar un cierto valor para el analito buscado, la conclusión es muy sencilla: cumple o no y la decisión va en la misma línea; se puede despachar al mercado o, si se controlan las variables de un proceso poder decidir sobre la continuidad o los ajustes al mismo. Por último, en Acciones se hacen las recomendaciones sobre lo que se debe hacer con el lote representado por la muestra o en la muestra misma. 3.2 Condiciones del Método Analítico. Revisado cuidadosamente lo anterior, queda por discutir en este tema cuáles son los requerimientos especiales que deben cumplir los análisis químicos relacionados con su calidad. Estos aspectos son:

• Exactitud: Grado de concordancia entre el resultado y un valor de referencia certificado. La ausencia de exactitud genera error sistemático.

• Precisión: Grado de concordancia entre los datos obtenidos de una serie. Refleja el efecto de los

errores aleatorios producidos durante el proceso analítico.

• Sensibilidad: Capacidad para discriminar entre pequeñas diferencias de concentración del analito. Se evalúa mediante la sensibilidad de calibración, que es la pendiente de la curva de calibración a la concentración de interés.

• Límite de detección: Concentración mínima del analito que se puede medir con seguridad.

Matemáticamente corresponde a una señal de magnitud igual al blanco más tres veces su desviación estándar.

• Intervalo dinámico: Intervalo de concentraciones entre el límite de cuantificación (mínima cantidad

que el método puede detectar) y el límite de linealidad (mínima cantidad que mantiene la reproducibilidad del método). Es donde se encuentra la mejor respuesta del método a la variación de concentración.

• Selectividad: Cuantifica el grado de ausencia de interferencias debidas a otras especies contenidas en

la muestra en análisis.

• Seguridad: Amplitud de condiciones experimentales en las que puede realizarse el análisis. También, es necesario considerar otras variables prácticas como rapidez, costo, peligrosidad de los residuos, etc. Un mecanismo óptimo para conocer la calidad del método analítico es participar en programas de intercomparación con otros laboratorios. En ellos, un organismo independiente evalúa los resultados, tanto en exactitud como en precisión, sobre muestras iguales enviadas a los laboratorios participantes. Los resultados permiten corregir los errores de funcionamiento del método analítico y, una vez comprobada su calidad, obtener la homologación del laboratorio para realizar los análisis. La homologación requiere la puesta en marcha de un programa de garantía de calidad, que permita controlar el funcionamiento global del laboratorio. Lo importante de esta discusión es recalcar la necesidad de establecer criterios que ayuden en la toma de decisiones ya sea para ordenar un análisis químico, para la modificación de las condiciones de producción de la planta o fábrica, o la implementación de un nuevo ensayo. Su esfuerzo garantiza que el costo de la decisión se cubra con los resultados esperados y la posibilidad de alcanzar un reconocimiento dentro del sector al brindar productos seguros a los consumidores.

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ACTIVIDAD DE APRENDIZAJE 1 Ya ha terminado de leer el tema. Ahora debe realizar un trabajo de comprensión y asimilación del mismo, por ello de manera individual y luego en su pequeño grupo de aprendizaje colaborativo realice el siguiente taller: Propósito Consolidar el conocimiento sobre el campo de trabajo de la Química Analítica Instrumental y los tipos de análisis que se pueden realizar y aplicar a su campo de trabajo. Acciones

1. Elabore un cuadro sinóptico sobre el significado de la Química Analítica, las clases de análisis y los criterios para el uso y el diseño de una técnica analítica.

2. Compare su trabajo con los desarrollados por sus compañeros del pequeño grupo que le acompañan en el curso y haga los ajustes que considere adecuados para lograr entre todos acuerdos comunes tomando como referencia los contenidos del texto anterior.

3. Elabore un acta del trabajo del pequeño grupo indicando los aspectos que fueron considerados como especiales por el grupo al no encontrarse incluidos en el trabajo individual.

4. Adjunte los dos documentos a su Portafolio indicando qué actividad es la que desarrolló. Transferencia Su campo de acción será específico sobre alimentos. Allí se encuentra que es necesario conocer la composición de los mismos mediante el análisis bromatológico o proximal. A continuación se presenta una pequeña introducción donde se explica cuáles son los ensayos, sus principales fundamentos y los resultados que se obtienen. Debe realizar una lectura cuidadosa del mismo y al finalizarla, trate de explicarla teniendo en cuenta los conceptos trabajados en este tema y responda a las preguntas que se formulan al final del taller. Haga el ejercicio de manera individual y luego en pequeño grupo colaborativo para llegar a las mismas conclusiones. No olvide adjuntar los documentos producidos a su portafolio. Análisis proximal. La determinación del contenido de los principios nutritivos que se encuentran en un alimento se realiza según el Método Clásico de Wende, desarrollado por los químicos Henneberg y Stohman a mediados del siglo XIX

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en la estación agrícola experimental de Wende, cerca de Göttingen (Alemania) para el control de calidad de concentrados para animales, determinando los siguientes componentes3:

• Humedad o pérdidas por desecación. • Cenizas o sustancias minerales. • Proteínas. • Extracto etéreo o grasa bruta. • Fibra cruda. • Carbohidratos (Sustancias extractivas no nitrogenadas, E.N.N.).

1) Humedad.

El agua hace parte de los seres vivos para actuar como disolvente y medio de transporte de otras sustancias dentro del cuerpo, al mismo tiempo que facilita la ocurrencia de las reacciones bioquímicas requeridas para la asimilación y excreción de los productos del metabolismo. En los animales de sangre caliente, el agua mantiene la temperatura debido a su alta capacidad calorífica y requiere una temperatura alta para evaporarse. La determinación de humedad se basa en la pérdida de peso que sufre la muestra de alimento al someterse a una temperatura constante de 100 °C. En algunas de ellas no se pierde únicamente agua sino otras sustancias volátiles. (¿Puede imaginar cómo es el procedimiento para realizar esta determinación?)

2) Cenizas. La calcinación de una muestra de alimento a 500 °C permite que toda su estructura orgánica se oxide dejando un residuo sólido constituido por óxidos y carbonatos de los metales que se encuentran formando parte de él. Si se requiere conocer específicamente los elementos metálicos que se encuentran allí, se parte de dicho residuo transformándolo o adecuándolo para efectuar análisis cuantitativos específicos de ellos.

3) Proteínas. Comprende un conjunto de sustancias orgánicas que tienen estructura compleja constituyen mayoritariamente los tejidos de los seres vivos donde también cumplen otras funciones, se caracterizan por contener el grupo amino (NH2) y se pueden descomponer mediante hidrólisis química o fermentación en estructuras menos complejas como albumosas, peptonas, péptidos o incluso llegar a sustancias más simples como aminoácidos, aminas y amoníaco. Su determinación se hace a través del Método de Kjeldahl que consiste en la mineralización del nitrógeno orgánico hasta sulfato ácido de amonio y su posterior determinación por titulación volumétrica. Esto significa que se realiza en dos etapas: digestión y destilación. En la digestión, se toma una muestra del alimento, se digiere con ácido sulfúrico concentrado en presencia de un catalizador transformando el nitrógeno orgánico en sulfato ácido de amonio mediante la siguiente reacción:

NORGÁNICO + H2SO4 → CO2 + H2O + NH4HSO4

3 MAHECHA, Gabriela, SEGURA Edgar y otros. Análisis y Control de Calidad. Bogotá, Unisur. 1993. Volumen 2, páginas 31 – 38.

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Para la destilación, el sulfato ácido de amonio se recupera de la mezcla de digestión al transformarlo en amoníaco mediante el uso de un álcali fuerte, se arrastra con vapor que al ser condensado se recoge sobre ácido bórico para recuperarlo como borato de amonio el cual se titula con ácido clorhídrico estandarizado, cuyo volumen permite, mediante una fórmula, determinar la cantidad de proteína presente en la muestra. Los cambios químicos que se obtienen son los siguientes:

NH4HSO4 + 2 NaOH → NH3 + Na2SO4 + 2 H2O

NH3 + H2O → NH4OH

NH4OH + H3BO3 → NH4H2BO3 + H2O

NH4H2BO3 + HCl → NH4Cl + H3BO3 La fórmula de transformación de los datos es la siguiente: VHCl NHCl meq (100) % N = _________________________ PESO MUESTRA Cuyos términos significan: VHCl = Volumen del ácido clorhídrico consumido. NHCl = Normalidad del ácido clorhídrico usado en la titulación. meq = peso del miliequivalente de nitrógeno = 14/1000. Para obtener el porcentaje de proteína bruta de la muestra, se realiza este último cálculo: % Proteína bruta = % N (6,25). El factor 6,25 aparece de la consideración de que del nitrógeno determinado en el método, sólo el 16% proviene de la proteína.

4) Extracto etéreo. Su determinación comprende un proceso de extracción con solvente orgánico como éter de petróleo o éter o una mezcla de los dos, sobre la muestra en la que se ha determinado la humedad. Este extracto contiene además de los triglicéridos, fosfolípidos, esteroles, ácidos grasos libres, pigmentos, vitaminas liposolubles, clorofila y otras sustancias orgánicas que sean solubles en el solvente extractor.

5) Fibra cruda. Todavía no se ha encontrado un método analítico como los anteriores que determinen a los carbohidratos debido a su gran complejidad y a que no tienen una característica analítica en común, por lo que Henneberg y Stohman decidieron dividirla en dos; una parte insoluble en ácidos y en bases a la que denominaron fibra cruda, donde se encuentra celulosa, pentosas, lignina, suberina y cutina y la soluble como extracto no nitrogenado. La importancia de realizar esta determinación es debido a que la fibra no aporta ningún nutriente pero si permite conformar la estructura del bolo alimenticio y estimular el peristaltismo para su correcto movimiento en el tracto intestinal. El método analítico tradicional en la determinación de este componente, consiste en hacer dos digestiones con la muestra seca y sin grasa, iniciando con ácido sulfúrico al 1,25 % y luego con

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hidróxido de sodio en la misma concentración. Así se eliminan proteínas, carbohidratos solubles, restos de grasa, vitaminas y otras sustancias que interfieren en el análisis.

6) Extracto No Nitrogenado.

Corresponde a la parte soluble de celulosa, pentosanos, lignina, hemicelulosa, liquenina, almidón, inulina, azúcares, materias pécticas, ácidos orgánicos y otras sustancias solubles que no contienen nitrógeno. Su determinación se hace restando de 100 los porcentajes de ceniza, humedad, proteína, grasa y fibra.

Haga un cuadro sinóptico que contenga el nombre del análisis, el fundamento, el tratamiento de la muestra y la forma de trabajar los datos para obtener los resultados (fórmulas de cálculo) Elabore un diagrama de flujo que muestre el procedimiento seguido en la determinación para un alimento de su interés y al que desee efectuarle el análisis proximal. Escriba las conclusiones a las que haya llegado con su trabajo.

TEMA 2.

REACCIONES QUÍMICAS EN LOS ANÁLISIS QUÍMICOS

Los elementos tienen un determinado nivel de energía que suele ser mayor que el de sus compuestos, por lo que en la naturaleza se encuentra frecuentemente estos últimos. Esa reactividad se encuentra condicionada a factores como liberación o absorción de calor, temperatura de reacción, concentración de reactivos, presión, presencia o ausencia de un medio de reacción que funcione como solvente, la aparición de un equilibrio químico y la extensión en que éste ocurre. Con respecto a la absorción y/o liberación de calor no siempre determinan que una reacción produzca sustancias con menor contenido energético que sus reactivos sino que pueda favorecer la formación de estructuras más reactivas. Generalmente se prefiere hablar de la espontaneidad de un cambio químico al medirla con una variable termodinámica como la energía libre que relaciona tres variables: la entalpía o calor

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absorbido o liberado en la reacción, la temperatura a la que ocurre el cambio químico y la entropía, una medida del estado de organización que ocupa la sustancia dentro del universo. 1. Clasificación de las reacciones. Se tiene como criterio la descripción del cambio que ocurre. En Química Analítica, utilizaremos sólo aquellas que se encuentran en los métodos clásicos de gravimetría y de volumetría ya que para la parte instrumental sólo se analizará la aplicación de formación de complejos o sustancias coloreadas o la aplicación de propiedades de tipo fisicoquímico como la posibilidad de generar enlaces intermoleculares. 1.1 Reacciones ácido – base. Tenemos presente el concepto de ácido – base definido por Bronsted – Lowry quienes consideran al ácido como una sustancia que cede protones (H+) o iones hidronio y base como aquella que los acepta. Este cambio se ilustra así:

HCl + H2O H3O+ + OH- La sustancia que cede el protón es el ácido clorhídrico y la base es el agua, la sustancia que recibe el protón para formar el ion hidronio hidratado [H.H2O]+. En este caso el hidronio no tiene electrones pero si un protón de más (de ahí su nombre para el ion H+) que garantiza un orbital desocupado; el oxígeno del agua tiene dos pares de electrones libres que puede compartir fácilmente acomodando al protón. Existe equilibrio ya que se puede afectar modificando la temperatura. Otro ejemplo que vale la pena analizar aquí es la autoprotólisis del agua, la cual la podemos representar mediante la ecuación química:

H2O + H2O H3O+ + OH- Separamos las moléculas de agua con propósitos didácticos de comparación con la anterior reacción puesto que en la realidad es muy difícil diferenciar qué molécula se comporta como ácido y cuál lo hace como base; los productos finales muestran la formación de una molécula ácida y una básica. En ambos casos encontramos que las reacciones son reversibles ya que el nuevo ácido está en capacidad de entregar su protón y la que se encuentra como base lo puede recibir para regenerar la molécula que le dio origen. Esto nos ilustra el concepto de par ácido – base conjugada que propusieron estos químicos. 1.2 Reacciones de precipitación. Se presentan básicamente con sustancias iónicas o que se pueden ionizar, formando un sólido que se puede separar y purificar del medio de reacción el cual, en la mayoría de los casos es agua. El ejemplo más común es la reacción del ion cloruro con solución de nitrato de plata que forma el precipitado de cloruro de plata como lo podemos observar en la siguiente reacción:

AgNO3 + NaCl AgCl( ) + NaNO3 En estas ecuaciones se suele colocar después de la fórmula del compuesto que ha precipitado, la flecha hacia abajo ( ) indicando que es una sustancia sólida, la cual a veces también se representa como (S). 1.3 Reacciones de oxidación – reducción. Se presentan cuando existe intercambio de electrones. Esto significa que habrá una sustancia que cede o pierde electrones y otra que los acepta o recibe, transferencia que

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podemos encontrar en las baterías de los automóviles o pilas; la pérdida y la ganancia la podemos localizar respectivamente en el ánodo (donde existe una gran carga de electrones disponibles) y en el cátodo (donde se reciben esos electrones). Un ejemplo es el acumulador de plomo, utilizado como batería en los automóviles:

Pb + PbO2 + 2 H2SO4 2 PbSO4 + 2 H2O Donde el plomo es el cátodo y el oxido de plomo (II) es el ánodo. 1.4 Reacciones de hidrólisis. Son cambios que implican la ruptura de moléculas complejas, generalmente orgánicas aunque también ocurren en las inorgánicas, permitiendo la adición de una molécula de agua. Suelen requerir catalizadores ácidos que ayudan a alcanzar el complejo activado más rápido acortando el tiempo de la reacción, como ejemplo con un compuesto inorgánico se tiene:

Na2S → 2 Na+ + S2-

S2- + H2O HS- + OH- Como se puede ver, ocurre un cambio en la concentración de iones presentes en el agua, principalmente en los hidroxilos, por lo que la solución será básica. Otro ejemplo es el acetato de sodio, una sal orgánica que tiene el mismo comportamiento del sulfuro de sodio:

CH3-CH2-COONa → CH3-CH2-COO- + Na+

CH3-CH2-COO- + H2O CH3-CH2-COOH + OH- 1.5 Reacciones de formación de complejos. Ciertos elementos generalmente metálicos, una vez han saturado sus valencias debidas a sus nubes externas, por su configuración electrónica tienen la posibilidad de recibir pares electrónicos pues tienen orbitales atómicos libres pudiendo formar enlaces covalentes coordinados que pueden ser dos, tres, cuatro, seis y ocho. Ejemplos de estas sustancias son:

2 [Cu(NH3)4](OH)2 + K4[Fe(CN)6] Cu2[Fe(CN)6] + 4 KOH + 8 NH3 Esta reacción representa una reacción cualitativa de identificación del ion cobre en la cual los tres complejos tienen colores muy diferentes; el primero es azul oscuro, soluble en agua. El ferrocianuro de potasio es incoloro pero cuando se transforma en ferricianuro el complejo de cobre adquiere el color rojizo que puede ser soluble o si hay exceso del ferrocianuro se puede obtener un precipitado pardo rojizo. 2. Cinética y Equilibrio Químico. Al estudiar las distintas clases de reacciones, se pregunta ¿cómo ocurre una reacción?, ¿qué tan rápido puede ocurrir?, ¿cuáles condiciones podemos controlar para llevarla hasta un determinado producto?, ¿existe alguna forma de representar la rapidez y el equilibrio que puede presentar la reacción?

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2.1 Cinética Química. Para ilustrar, se estudian dos fenómenos muy comunes: la combustión de una vela o esperma y la explosión de la pólvora. Para encender la vela se requiere de un cerillo en combustión (prendido luego de frotarlo contra una superficie áspera) y así poder iniciar la combustión a la parafina que está empapando el pabilo; vemos que inicialmente derrite o funde parte de la cera y luego lentamente aparece sobre el pabilo una llama. La cerilla ha calentado hasta el punto o temperatura de combustión de la parafina que se enciende y, por sí misma, mantiene la reacción de combustión produciendo calor, luz y humo. Situación que se mantiene hasta cuando se consuma toda la cera, se suspenda la provisión de oxígeno o si se quiere apagarla. En el caso de la combustión de la pólvora, imagine que tiene en sus manos un volador u otro artefacto pirotécnico de los que se usan en la celebración de la navidad y el año nuevo. Se enciende con una cerilla y lo suelta presuroso guardando una prudente distancia porque se produce una explosión cuando la chispa del cordón encendido alcanza a la pólvora. Se observa que genera luz, calor, humo y un ruido característico producido por ondas de choque al momento de ocurrir una rápida liberación de energía. ¿Cómo se explica este fenómeno de una manera más científica? Se sabe que una reacción química implica la ruptura con cambios de energía de los enlaces químicos de las moléculas que están reaccionando para dar nuevos enlaces de los productos que se están formando. La reacción de combustión tiene dos reactivos y un iniciador del proceso: combustible (la parafina y la pólvora), el comburente (oxígeno del aire) y la cerilla encendida que da la energía inicial para que los dos reactivos inicien el cambio químico. ¿Cómo ocurre el fenómeno a nivel atómico? Se considera a la parafina y la pólvora básicamente formadas por átomos de carbono e hidrógeno; sin embargo entre los componentes de la pólvora también se encuentra el oxígeno. La reacción de combustión la podemos representar así:

n C – H + n O2 → n CO2 + n H2O + ∆H La cerilla suministra calor a la parafina, ésta se funde y facilita la disolución del oxígeno que al estar juntos aumenta la probabilidad de que diversos choques les permita interactuar para comenzar a formar los productos, manifestándose externamente con la aparición de la llama. Así que en un momento determinado los átomos que participan se reorganizan formando un estado intermedio al que se llamará complejo activado, en el que aparecen enlaces de tipo covalente que al liberar energía se reorganizan en los productos. En la figura 1 se encuentra un modelo que explica esta estructura intermedia. Figura 1. Esquema que representa el posible mecanismo de una reacción de combustión. O

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Complejo Activado En la figura, los tamaños de los átomos no se encuentran a escala. Al observar el esquema superior de la figura, la parafina y el oxígeno activados por el calor generado por la cerilla, se encuentran formando el complejo activado ilustrado, éste se descompone debido a que tiene mucha más energía que los reactivos pero con tendencia al cambio ya que las especies producidas tienen menor contenido energético apareciendo el primer producto: bióxido de carbono y un protón. En la parte inferior de la figura continua la reacción; otros átomos de la molécula de parafina interactúan con más oxígeno y dos protones libres provenientes de la reacción anterior formando otro complejo activado cuya descomposición produce una molécula de agua y un radical de oxígeno que queda disponible para formar otro complejo activado. En esta forma, la secuencia va produciendo los compuestos finales y energía en forma de calor y luz. Intentar construir el mecanismo de reacción de la pólvora es muchísimo más complejo al no poder simplificar su estructura ya que además de carbón, contiene clorato o nitrato de potasio aumentando el número y diferencia de especies que participan, así que se tendría que estudiar los comportamientos del nitrógeno y el potasio en la reacción para formar los correspondientes óxidos. Sin embargo, con los elementos analizados se pueden determinar las condiciones que se deben tener en cuenta para cualquier reacción. La primera es la homogeneidad del medio; entre más fluido sea (líquido o gas) se favorecen más los choques que permiten la configuración del complejo activado. La segunda es la concentración de los reactivos; a mayor cantidad de especies más fácil ocurren los choques que ayudan a conformar la especie activa. La tercera es la temperatura, pues si aumenta también lo hace la energía cinética generando más movimiento y aumentando las probabilidades de choque y las de obtener productos. Este hecho llevó a Henry Le Chatelier a formular el principio de que por cada diez grados de aumento en la temperatura, se duplica la rapidez de reacción en un sistema químico. Dilucidar cuál es la vía más apropiada para que unos reactivos se transformen en productos es un problema teórico y experimental ya que los planteamientos de interacción, como los expuestos para el caso de la reacción de combustión, deben ser corroborados por los datos experimentales según la aparición de cierto producto o la

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desaparición de un reactivo que pueda ser clave. No es posible aislar el complejo activo pues su existencia es muy corta debido a que tiene un mayor contenido energético respecto a los reactivos de origen y a los productos finales. 2.2 Equilibrio Químico. El significado de equilibrio es de reposo, sin movimiento, la antítesis a cinética que es dinámica, cambio, aparición y desaparición de sustancias. En química es necesario ampliar ese concepto al combinarlo con el sentido de cambio porque el equilibrio químico también involucra modificaciones que están ocurriendo a nivel molecular. Parece una paradoja; la única justificación posible es que a nivel atómico la materia no modifica su capacidad de cambio pero si puede mostrar a los sentidos humanos que no está ocurriendo nada. Todos los cambios químicos se comportan de manera diferente: unos son tan rápidos que son verdaderas explosiones y otros ocurren tan despacio que requieren mucho tiempo para mostrar un producto o es necesario modificar su ambiente para acelerar dicho cambio. Es el caso de los catalizadores, sustancias que no actúan como reactivos pero que con su presencia disminuyen el tiempo de reacción al bajar la barrera energética para formar el complejo activado o favorecer el acercamiento de las moléculas o átomos que van a interactuar para transformarse en productos. Al finalizar el proceso, el catalizador nuevamente aparece sin mostrar cambios en su composición o en su estructura. Suponga que se tienen dos sustancias A y B que al reaccionar entre sí producen C y D. La realidad muestra que no se transforman totalmente sino que luego de cierto tiempo se tiene una mezcla donde aparecen reactivos y productos. Lo cual se representa así:

A + B = C + D Imagine que se tiene un equipo que visualiza como cambian A y B para formar C y D. Inicialmente muestra que A y B interactúan, forman su complejo activado y se descomponen en C y D; el equipo permite determinar la cantidad de reactivos que va disminuyendo y registra la cantidad de C y D producidos en la unidad de tiempo. Pasado cierto tiempo se observa que la cantidad de productos alcanza un máximo y lo mismo con la cantidad de reactivos remanente en la reacción que llega a un valor mínimo. El aparato muestra una situación muy interesante: los reactivos se transforman en productos y éstos se desdoblan en reactivos, mostrando en el tiempo un valor constante en las concentraciones que se mantienen al conservarse las condiciones. Si estas cambian (por ejemplo, al variar concentración, presión, temperatura y la presencia de catalizadores) se modifica el equilibrio hasta alcanzar una situación semejante pero con valores diferentes. Se puede caracterizar al equilibrio químico así:

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Apariencia externa. No se detectan cambios en las propiedades del sistema en el tiempo.

Apariencia molecular. La velocidad de formación de productos es igual a la velocidad de descomposición de los reactivos.

Contenido de energía. Cuando se alcanza el equilibrio químico, la energía total del sistema alcanza un mínimo, estabilizándolo.

Valor constante y característico. La condición de equilibrio químico para un determinado sistema se puede medir a través de un valor llamado constante de equilibrio que se utiliza para comparar y determinar el grado de extensión en que ha ocurrido el cambio químico.

El sistema químico está formado por los reactivos, añadidos en cierta cantidad, dentro de un recipiente donde se dejan que interactúen, la presencia del catalizador cuando es necesario y las condiciones de presión, temperatura y los instrumentos de medición requeridos para su control. La velocidad de formación de productos está expresada como una constante de equivalencia y la concentración de productos, así:

vf = kf [C][D] Siendo: vf = Velocidad de formación. kf = Constante de formación. [C], [D] = Concentración de productos. La reacción de descomposición también tiene una constante de equilibrio que se expresa así:

vd = kd [A][B] Donde: vd = Velocidad de descomposición. kd = Constante de descomposición. [A],[B] = concentración de los reactivos. Al tener una condición de equilibrio. Matemáticamente se expresa como:

vd = vf Remplazando por sus valores correspondientes se tiene:

kd [A][B] = kf [C][D] Agrupando términos:

kd [C][D] ___ = __________ kf [A][B]

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El cociente de dos constantes es otra constante, llamada la constante de equilibrio Keq, por lo que la anterior expresión corresponde a la constante de equilibrio estudiado:

[C][D] Keq = __________ [A][B]

Keq tiene un valor que siempre se obtendrá para el sistema químico estudiado a las mismas condiciones y, por ende, lo representa. Es necesario hacer una claridad relacionada con los exponentes que acompañan a la expresión de concentración de una sustancia. En la expresión anterior se encuentra que en todos los casos es uno, sin embargo en sistemas donde la ecuación química contiene coeficientes estequiométricos, los exponentes relacionados con su concentración estarán afectados por los mismos. Se ilustra con el siguiente ejemplo:

H2 + O2 = 2 H2O Su constante de equilibrio será:

[H2O]2

Keq = __________ [H2][O2]

¿Cómo se puede interpretar el valor de una constante de equilibrio con respecto al grado de extensión de un cambio químico? Si en un sistema químico se encuentra un valor muy grande para su constante de equilibrio, casi de infinito, la matemática dice que el dividendo es mayor que el divisor y en el fenómeno químico indica que toda la reacción se ha completado dando sólo productos. Si el sistema tiene una constante tan pequeña, casi tendiendo a cero, la matemática señala que el divisor es más grande que el dividendo y el fenómeno químico que representa es en el que muy pocos reactivos se han transformado en productos. Para terminar este estudio, se discuten procedimientos que pueden afectar esta condición de equilibrio para un cambio químico particular: Henry Le Chatelier formuló un principio en ese sentido así: Cuando se varía una de las condiciones que determinan el equilibrio químico de un sistema químico, el sistema responde oponiéndose a la variación de esa condición. Traducido en términos prácticos, es posible variar un equilibrio químico de las siguientes maneras:

Afectando la temperatura, si la reacción es endotérmica (durante el cambio baja la temperatura) o exotérmica (produce calor).

Modificando la concentración de reactivos o de productos según lo que se quiera modificar: si se desean más productos, se añade exceso de uno de los reactivos, si se quiere un reactivo, se adiciona uno de los productos o algún otro reactivo que contenga un componente del producto (efecto del ion común).

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Usando reacciones competitivas que sustraigan a uno de los productos, para obtener más cantidad del otro por ser de mayor interés.

3. Criterios para la resolución de problemas en Química Analítica. Aunque se supone que ya ha adquirido ciertas competencias relacionadas con las formas de plantear problemas en Química General, es necesario que volver a considerarlas, especialmente para desarrollar estrategias en el planteamiento de sus soluciones teniendo en cuenta las proporciones que se deben establecer entre moles y gramos, el análisis de las unidades cuya consistencia deben ayudar a verificar la certeza del planteamiento propuesto en la resolución específica del problema. Se recomienda seguir el programa de los cinco pasos4 así:

• Primer paso. Identifique el problema. Lea la pregunta con cuidado y escriba lo que se requiere.

• Segundo paso. Reúna y escriba todos los datos y hechos conocidos relacionados con el problema.

• Tercer paso. Analice los datos, identifique el tipo de problema por resolver y plantee la solución delineando un plan o camino específico para la respuesta.

• Cuarto paso. Desarrolle el plan propuesto. Para los problemas de Química Analítica, es necesario que identifique plenamente los factores de conversión.

• Quinto paso. Evalúe la respuesta con respecto a lo solicitado por el problema, verifique la consistencia de las unidades que acompañan al resultado que deben coincidir con lo solicitado.

En el desarrollo de ejercicios de aplicación de las diferentes técnicas, especialmente en el tratamiento de datos tenga en cuenta las recomendaciones del anterior programa.

ACTIVIDAD DE APRENDIZAJE 2 Se termina el segundo tema. Ahora tiene la oportunidad de valorar lo que ha aprendido. Para ello realice las siguientes acciones:

1) Elabore una tabla donde indique cuáles son las reacciones que se presentan en química analítica, establezca al menos dos características y cuál sería su utilidad en los análisis químicos que vamos a estudiar más adelante.

2) Haga un paralelo entre cinética química y equilibrio químico teniendo en cuenta: concepto, características, expresión de ecuaciones (si es posible), condiciones particulares para modificar la velocidad de una reacción y el estado de equilibrio químico. ¿Qué conclusiones puede derivar de su trabajo de comparación?

3) ¿Qué utilidad puede derivar del programa de cinco pasos recomendado para la resolución de problemas en Química Analítica? ¿Qué es un factor unitario o de conversión? ¿De dónde se genera?

Regrese a la actividad 1 y tome cualquiera de los ensayos descritos para el análisis proximal de un alimento y aplique el programa de los cinco pasos a una situación hipotética en la cual simula unos datos para determinar la propiedad que está estudiando. 4 BURNS, Ralph A. Fundamentos de química. 2 edición. México: Pearson Educación, 1996, p. 12.

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Si desea una ayuda puede consultar la tabla de composición de los alimentos colombianos, seleccionar un alimento y escribir los porcentajes de la sustancia que quiere determinar usando una de las técnicas de la actividad 1, para poder concretar mejor su ejercicio. No olvide discutir en su pequeño grupo de aprendizaje colaborativo el ejercicio y si tienen todavía dificultades o para consolidar su conocimiento, no olvide recurrir al tutor en la franja de tutoría.

TEMA 3.

PREPARACIÓN PARA EL ANÁLISIS QUÍMICO. La realización de cualquier análisis químico cuenta con un conjunto de aspectos teóricos que se deben revisar antes de comenzar a trabajar en la determinación de una sustancia de interés. En esta parte del curso se discuten esos conceptos, los fundamentos requeridos para la preparación de las muestras y las formas de identificación y de conservación ya que generalmente es necesario guardarlas para resolver algunos conflictos que se suelen presentar por la no concordancia de resultados o es necesario volver nuevamente a realizar el análisis para confirmar los resultados. Al revisar cualquier método analítico, ya sea por ser estándar o por la necesidad de desarrollar uno específico para resolver alguna inquietud, se requieren tres elementos: la muestra, reactivos y equipos y una técnica procedimental. Aquí se estudian los dos primeros ya que en las próximas unidades se discutirán los fundamentos de dichas técnicas procedimentales. 1. La muestra. En el análisis químico, se deben considerar cinco pasos:

• Obtención de una muestra representativa del material por analizar. • Transformar la muestra en una especie adecuada para el análisis (disolución). • Eliminar o enmascarar las sustancias interferentes en el análisis. • Realizar el análisis.

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• Interpretar los resultados. El material del que se parte puede ser un alimento, un mineral, un fragmento de plástico, un lago, una carga de carbón o una moneda muy antigua, las cuales no son homogéneas ya que su composición varía en cada parte; esto implica la necesidad de seguir un procedimiento para poder establecer dos condiciones que debe cumplir una porción del material a analizar como son el ser homogénea y la de ser representativa. Lo que es lo mismo, cuando se analiza un material heterogéneo, el resultado final depende de la forma en que se elijan las muestras del material y de cómo se trate la muestra una vez colectada5. La muestra es, una porción pequeña, seleccionada para su examen, de una cantidad de material mucho mayor. Raras veces contiene todo el material que será analizado; comprende los constituyentes o los componentes por determinar, los cuales pueden ser: principales, están en mayor cantidad, los menores, existen en menor contenido que los primeros y las trazas que aparecen en pequeñísimas cantidades, requiriendo técnicas más complejas para su determinación y los ultratraza. La cantidad disponible del constituyente determina el tamaño de la muestra, lo mismo que la técnica de análisis requerida6. Las diferencias de composición, densidad y dureza, variaciones en el tamaño de partícula, la segregación de impurezas en las aleaciones, la suspensión de sólidos en líquidos y otras variables que suelen presentar los materiales bajo análisis implican la necesidad de establecer tratamientos diferenciales en la obtención de la porción representativa y homogénea que requerimos para iniciar el análisis. Así, para el análisis de alimentos, la Association of Oficial Agricultural Chemists ha determinado el procedimiento para obtener la muestra requerida en los ensayos con alimentos, siendo el material de primera consulta cuando se trabaja con esas sustancias. La composición de la muestra puede variar con el tiempo luego de colectada, debido a cambios internos, reacción con el aire o interacciones químicas con el material del recipiente que la contiene. Por lo general se recomienda guardarlas en recipientes de teflón cuidadosamente lavados con agua destilada; aunque si se conoce la calidad del vidrio y su estabilidad química pueden ser usados sin que modifiquen la cantidad de sustancia considerada como muestra. ¿Cómo se obtiene la muestra? Para ello se consideran conceptos como lote, muestra bruta, muestra de laboratorio y porciones de prueba. El lote corresponde al material completo del cual se quiere tomar la cantidad de sustancia homogénea y representativa, siendo una carga de fruta, de reactivos, un lago o un órgano animal; estas tienen unidades muestrales que pueden ser las cajas donde están embalados los productos, o un criterio para seleccionar las muestras (por ejemplo, si tiene un montón de arena o de arroz en un silo donde no es fácil establecer la unidad muestral). Para alcanzar la representatividad y la homogeneidad necesarias, no basta con tomar una única unidad muestral; se requiere tomar varias para conformar la muestra bruta. Su correcta obtención garantiza el éxito en el análisis, por ello se debe contar con un plan cuidadoso para la toma de varias partes del lote, generalmente al azar o de manera

5 HARRIS, Daniel C. Análisis químico cuantitativo. México: Grupo Editorial Iberoamérica, 1992, p 701. 6 RAMETTE, Richard W. Equilibrio y análisis químico. Op. Cit., p 4.

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aleatoria. Existen herramientas estadísticas que ayudan a perfeccionar ese criterio basándose en la probabilidad asignada a la posibilidad de incluir en esa selección a los componentes bajo análisis. Cuando se tienen materiales muy segregados, es decir que a simple vista se detecta su heterogeneidad, recurrimos a la conformación de una muestra compuesta tratando de mantener las proporciones encontradas en el lote, pero también utilizando el azar. Una vez obtenida la muestra bruta, se homogeniza utilizando las técnicas más apropiadas para ello dependiendo de si son sólidas o líquidas. En esta última es muy sencillo mezclarlas en un solo recipiente y agitarlas cierto tiempo, a baja revolución para evitar incorporar aire que las puede alterar o utilizando atmósferas inertes como nitrógeno o bióxido de carbono, siempre y cuando no sean componentes de la misma. Las sólidas se deben moler seleccionando el equipo adecuado, evitando el exceso de calor y trabajando en condiciones que impidan su contaminación y luego almacenarlas en un recipiente adecuado. En el caso de alimentos o partes provenientes de seres vivos, se recomienda primero secarlas, pulverizarlas y tamizarlas a través de una malla de 100 a 200 mesh7. Finalmente, se obtiene la muestra de laboratorio, la cual depende de las técnicas utilizadas en su determinación. Sin embargo se recomienda obtener muestras de un kilo cuando son sólidas y de un litro cuando son líquidas, se marcan cuidadosamente y se dividen en dos recipientes iguales, uno de los cuales se guarda en un sitio seco y fresco ya que se torna de referencia para posteriores análisis de comprobación. El otra se utiliza directamente en los análisis. La forma de reducción de tamaño de la muestra se puede ilustrar para los sólidos mediante la técnica del cuarteo. Pulverizada y tamizada la muestra bruta, se hace un montón, se divide cuidadosamente en cuatro partes, se toman las dos opuestas, se mezclan y se amontona. Luego se divide en cuatro, se toman las opuestas y se repite el proceso hasta obtener el tamaño deseado de la muestra, la cual se deposita en el recipiente seleccionado, marcado previamente, para contenerla.

Figura 2. Técnica del cuarteo en muestras sólidas.

7 Las mallas o mesh significan la apertura del espacio que se tiene en el tejido del tamiz; éste se expresa en mm, por lo que para las medidas recomendadas, el diámetro de la partícula está entre 0,125 y 0,075 mm, un tamaño adecuado para facilitar posteriores disoluciones.

MUESTRA

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El proceso no finaliza aquí; es necesario tomar muestras exactamente medidas que corresponden a las porciones de prueba, las cuales son sometidas a otras condiciones experimentales conforme a la recomendación de la técnica seleccionada en la determinación de las mismas. 2. Material de vidrio. Este puede ser una fuente de contaminación de la muestra bajo análisis, sobre todo cuando se trabaja en la determinación de componentes menores, traza o ultratraza. Los materiales vítreos (vidrio y porcelana) contienen bastante sílice y son atacados por las soluciones alcalinas, siendo más afectado el vidrio. Sin embargo, el vidrio borosilicato (Pirex, Kimax) resiste muy bien el ataque químico y los cambios de temperatura aunque suelen contaminar con algo de boro; el vidrio vycor (corning) supera al anterior. El cuarzo fundido es un buen material para el manejo del agua destilada y es mejor que los anteriores frente al ataque químico, pero es afectado por el ácido fluorhídrico que definitivamente destruye todo material derivado de la sílice como los estudiados hasta ahora. Los recipientes plásticos de polietileno resisten muy bien al ácido fluorhídrico, álcalis cáusticos, ácidos comunes y al amoniaco. En la disolución de muestras metálicas y minerales se suele recurrir a fusiones alcalinas, requiriendo materiales como platino, plata, oro, hierro o níquel para la fabricación de crisoles. En el análisis de materias provenientes de seres vivos, es posible trabajar con la mayoría de materiales disponibles en los laboratorios aunque se deben revisar cuidadosamente las indicaciones de la técnica en estos aspectos. 3. Descomposición de las muestras. La transformación de la muestra en soluciones para efectuar el análisis correspondiente, es un paso fundamental. Su complejidad impide usar un método único para lograrlo, sin embargo si tenemos alguna idea de su composición podemos seleccionar el procedimiento más adecuado y efectuarlo. Para realizar la disolución se ensayan diferentes solventes como el agua, ácido clorhídrico diluido, ácido clorhídrico concentrado, ácido nítrico diluido, ácido nítrico concentrado y agua regia (mezcla de los ácidos clorhídrico y nítrico). Si quedan residuos lo mejor es intentar la fusión de la muestra con álcalis como carbonato de sodio, hidróxido de sodio, peróxido de sodio (a la vez es oxidante) o el sulfato ácido de potasio o piro sulfato; una vez realizada se procede a disolver utilizando agua. Cuando se trabaja con alimentos o con sustancias orgánicas, su tratamiento no es tan drástico ya que se puede realizar una calcinación seca para recuperar los minerales que contiene o efectuar digestiones (calcinación húmeda) para mineralizar algunas de las sustancias de interés y poderlas determinar en medio acuoso (p.e., determinación de nitrógeno o de fibra en el análisis bromatológico revisado en la actividad 1). Una técnica reciente consiste en hacer la digestión utilizando una bomba de teflón y un horno microondas. Se trabaja con pequeñas cantidades de muestra exactamente pesadas, se adiciona el ácido o combinaciones de ácidos (generalmente ácido nítrico y sulfúrico), se cierra herméticamente y se coloca en el horno. Allí, en un minuto se pueden alcanzar temperaturas internas de 800 °C y unas 80 atmósferas de presión. Para la

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digestión de material orgánico, la bomba tiene una válvula de escape que deja elimina el exceso de CO2 producido. Mineralizada la muestra, se deja enfriar y luego se disuelve en agua hasta un volumen conocido utilizando para ello un balón aforado, se marca y de allí se toman alícuotas exactamente medidas conforme a la técnica que se vaya a utilizar. 4. Equipo de laboratorio. Al comenzar a trabajar las técnicas, se encuentra la necesidad de utilizar otros equipos de vidrio o algunos de medición como son la balanza, el espectrofotómetro, el pH – metro, el cromatógrafo y otros que mediante la aplicación de principios físicos y químicos muestran resultados cualitativos y cuantitativos sobre los componentes de una muestra. Al ser artificios construidos por el hombre, se han diseñado con una finalidad específica que necesariamente se debe conocer, lo mismo que sus características de sensibilidad y precisión para dar el nivel de confianza requerido en el análisis químico. En cada una de las técnicas por estudiar en este material, se analizarán esas propiedades, especialmente la relacionada con su calibración. El conocimiento al detalle del equipo que utiliza es el secreto del buen analista y condición de certificación del laboratorio químico respectivo; afortunadamente se disponen de herramientas auxiliares que ayudan a valorar esos grados de confianza requeridos. Antes de emplear los equipos de laboratorio, se debe tener la certeza de que estén calibrados para que los resultados obtenidos con ellos sean confiables. Pensando en esto, fabricantes y químicos han diseñado los procedimientos más apropiados para hacerlo, que frecuentemente involucran el uso de reactivos patrón y vienen incluidos en los manuales de funcionamiento de dichos aparatos pues a los fabricantes les interesa ofrecer toda la asistencia técnica posible con el fin de mantener satisfechos a los usuarios. Una sustancia o reactivo patrón es aquella que cumple al menos tres condiciones: tiene una composición conocida, no se afecta con el medio ambiente (no es higroscópico en exceso o delicuescente) y se puede calentar a 100 – 130 ºC para eliminarle el agua absorbida sin descomponerse o cambiar de composición. En Química Analítica se utilizan para validar los métodos analíticos al determinar la precisión y exactitud del análisis realizado con ellas y controlar los efectos de matriz o interferencia ocasionado por otros componentes presentes. Por lo general están certificadas por el fabricante e indican con porcentajes la concentración de la sustancia principal y los mayores contaminantes que la acompañan. Así por ejemplo, el biftalato de potasio empleado como patrón para las titulaciones ácido – base viene rotulado con el 98 % de pureza, indicando que tiene un 2 % de otros contaminantes que también están especificados. Además, en ciertas técnicas como la absorción atómica, cromatografía de gases o la HPLC o cromatografía líquida de alta eficiencia, es frecuente el uso de patrones certificados que tienen el máximo posible de pureza, generalmente del orden de 99,99 % o más, debido a que en dichas técnicas las determinaciones se hacen en el orden de trazas o de ultra trazas.

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El camino del análisis exacto está sembrado de obstáculos que deben ser considerados por quienes utilizan los resultados analíticos. Dichos obstáculos constituyen un reto a las habilidades y la imaginación de los analistas empeñosos8. Los demás pasos implicados en el análisis químico los estudiaremos cuando trabajemos cada técnica en particular.

ACTIVIDAD DE APRENDIZAJE 3 Finalizando este tema, hará un ejercicio que le permita consolidar el conocimiento dado en el mismo y luego le servirá como referente para el trabajo de laboratorio por realizar al terminar esta unidad.

1) Elabore un resumen que contenga los principales referentes a considerar para preparar una muestra.

2) Suponga que le han contratado como analista en un laboratorio de control de calidad y le indican que debe obtener muestras de los siguientes alimentos en las bodegas de los clientes:

• Lote de 500 bultos de maíz o arroz. • Lote de 250 cantinas de leche cruda. • Lote de vino de 300 cubas en fermentación. • 50 canales de carne de res. • Lote de 1000 bultos de arveja verde en vaina.

Describa brevemente el procedimiento que utilizaría para recolectar la muestra y si necesita de algún equipo especial para la toma de las mismas. Si desea puede recurrir a normas ICONTEC, para el muestreo o a manuales específicos. No olvide indicar en su trabajo la bibliografía consultada.

3) Tome uno de los ensayos descritos en la actividad de aprendizaje 1, consulte en la

bibliografía cómo es la técnica; haga un análisis crítico de la misma teniendo en cuenta los conceptos trabajados en este tema, relacionado con toma de la muestra, tratamiento, equipo de laboratorio a utilizar, qué equipos debe calibrar, qué cuidados especiales debe tener en cuenta y recomendaciones especiales para lograr buenos resultados. Elabore un escrito de máximo dos páginas, coméntela en su pequeño grupo colaborativo de aprendizaje y con su tutor.

8 HARRIS, Daniel C. Op. Cit., p. 719.

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TEMA 4.

OBTENCIÓN Y MANEJO DE DATOS El hombre sintió la necesidad de medir desde tiempos remotos; su primer esfuerzo, casi intuitivo, le permitió tomar medidas muy elementales. Todo parece indicar que las primeras mediciones las realizó para determinar longitud y masa; para la primera empleó el tamaño de los dedos, la longitud del pie, el ancho del pie, el largo de sus brazos, etc., mientras que para la segunda utilizó medios de referencia para comparar cantidades como conchas, granos, piedras, etc.9 Analizando lo anterior, se deduce que la medición es un procedimiento por el cual, contamos el número de veces que cabe un patrón dado dentro de la característica del cuerpo que se pretende medir, obteniéndose al final un número que indica cuántas veces cupo el patrón y una denominación de la característica del cuerpo: la primera es un número y la segunda corresponde a la magnitud. Las propiedades o magnitudes que se utiliza para caracterizar la materia son: longitud, volumen, masa y temperatura. Estas son las básicas que conforman cualquier sistema de medidas (S.I.). Para las ciencias naturales existe únicamente el sistema internacional de 9 Evidentemente y aunque a la luz de nuestros conocimientos actuales parecen ridículas, estas unidades fueron escogidas en forma inteligente y práctica pues permitieron una comparación con la precisión que requerían las elementales necesidades de esa época primitiva y, por otra parte, para el hombre de esa era resultaba de gran comodidad llevar consigo sus propios patrones de medida para el trueque: el pie, la palma de la mano, el dedo. . En: ICONTEC. SI, sistema internacional de unidades. Bogotá, Voluntad, 1976., p. 3.

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medidas, mientras que para las técnicas conviven dos: el sistema métrico decimal y el sistema inglés. Su campo de trabajo es netamente técnico, luego se debe aprender a calcular con los dos sistemas y a mecanizar las formas de hacer conversiones entre las medidas, aunque la tendencia es a utilizar solamente el Sistema Internacional de Medidas, el cual será por esta razón explicado con algún detalle. Toda medición se caracteriza por tener tres componentes así:

Valor de medición = Cantidad numérica + Magnitud + nombre de la sustancia. Este código permite comprender los datos que aparecen en los informes científicos o en los handbooks o libros de datos y se debe observar siempre esta característica cuando se reporten los resultados de algún trabajo experimental realizado durante el aprendizaje o ya en la vida profesional.

1. Sistema Internacional de Medidas. En 1960, la undécima Conferencia General de Pesas y Medidas (CGPM)10 definió como Sistema Internacional de Unidades (SI) al sistema coherente de medida basado en seis unidades: longitud, masa, tiempo, intensidad de corriente eléctrica, temperatura termodinámica e intensidad luminosa. Posteriormente, se requirió incorporar la cantidad de sustancia ya que la magnitud definida para masa no se podía aplicar al campo de la Química. Este sistema tiene como ventajas: Es un sistema coherente pues el producto o el cociente de dos o más de sus

magnitudes producen una unidad derivada. Su unidad de fuerza no depende de la gravedad siendo independiente de la

aceleración generada por ella, por lo que es constante en todo lugar. Cada magnitud tiene su propia unidad SI. El factor para la obtención de unidades derivadas es siempre una unidad. Se utiliza exclusivamente el sistema arábigo de numeración con base 10, permitiendo

que la relación de múltiplos y submúltiplos en una misma magnitud siempre sean relaciones decimales con cada unidad.

Se pueden utilizar prefijos antes de las unidades para facilitar el trabajo con las magnitudes SI demasiado grandes o muy pequeñas.

Todas las unidades SI están definidas mediante experimentos físicos que se puede replicar en laboratorio sin utilizar prototipos estándar.

En comparación con otros sistemas tales como el CGS, el Sistema Internacional posee unidades relativamente grandes como el kilogramo para la masa y el newton y no la dina para la fuerza.11

Las anteriores ventajas hacen actualmente que el Sistema Internacional de Unidades sea aceptado por la mayoría de los países y las autoridades internacionales. 10 Corresponde a la máxima autoridad internacional en pesas y medidas y se reúne cada seis años. 11 Íbid., p. 24 – 25.

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Corresponde al Sistema Métrico Decimal. Este se basa en el sistema decimal (cada diez unidades genera otra superior); es decir, que puede tener múltiplos y submúltiplos, todos sobre base diez (10). Las unidades que los componen son:

Tabla 1. Unidades SI básicas.

Magnitud física Nombre de la unidad. Símbolo Longitud Metro m Masa Kilogramo kg Tiempo Segundo s Intensidad de la corriente eléctrica Ampere (amperio) A Temperatura termodinámica. Kelvin K Cantidad de sustancia. Mole mol Intensidad luminosa Candela cd Con criterio exclusivamente de cultura general se transcriben las definiciones dadas para cada una de estas unidades. Cada una de esas unidades tiene un símbolo que se debe aprender a escribir correctamente para evitar la generación de errores en los informes. Metro. Es una longitud igual a 1.650.763,73 veces la longitud de onda en el vacío, de

la radiación correspondiente a la transición entre los niveles 2p10 y 5d5 del átomo de Criptón 8612.

Kilogramo. Es la masa del prototipo internacional del kilogramo13. Segundo. Es la duración de 9.192.631.770 ± 20 períodos de la radiación

correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo de Cesio 13314.

Ampere. Es la intensidad de una corriente constante que mantenida en dos conductores rectilíneos paralelos de longitud infinita, de sección circular despreciable y colocados a una distancia de un metro el uno del otro en el vacío, ejercería entre ellos una fuerza igual a 2 X 10- 7 newton por metro de longitud15.

Kelvin. Equivale a la fracción 1/273,16 de la temperatura termodinámica del punto triple del agua16.

Mole. Cantidad de sustancia de un sistema que contiene tantas unidades elementales como átomos de carbono hay en 0,012 kilogramos de carbono 12. Cuando se usa la mole deben especificarse las unidades elementales que pueden ser átomos, moléculas, iones, electrones, otras partículas o grupos específicos de tales partículas17.

Candela. Es la intensidad luminosa, en la dirección perpendicular de una superficie de 1/600.000 metros cuadrados de un cuerpo negro a la temperatura de solidificación del platino, bajo una presión de 101.325 newton por metro cuadrado18.

Las anteriores unidades tienen múltiplos y submúltiplos, todos sobre base diez;

12 Undécima conferencia de CGPM, 1960. Resolución 6. 13 Tercera conferencia CGPM, 1901. 14 Décima tercera conferencia CGPM, 1967. Resolución 1. 15 Novena conferencia CGPM, 1948. Resolución 2. 16 Décima tercera conferencia. CGPM, 1967. Resolución 3. 17 Décima cuarta conferencia, 1971. Resolución 3. 18 Décima tercera conferencia CGPM, 1967. Resolución 5.

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actualmente se disponen de 14 prefijos que indican cuantas veces es mayor o menor la unidad derivada. Su denominación se hace de dos maneras; utilizando el nombre completo o empleando combinaciones de símbolos como se muestra en la tabla 2. Se debe tener en cuenta que existen algunas unidades, listadas en la tabla 3, que no son del Sistema Internacional pero que se pueden usar en combinación con él. A continuación se transcriben las reglas de escritura de las unidades SI y sus símbolos, con el fin de memorizar y mecanizar su escritura e interpretación teniendo en cuenta la nomenclatura internacional y, de hecho, en las revistas especializadas19:

Tabla 2. Prefijos para formar múltiplos y submúltiplos del SI.

Prefijo Símbolo Factor de Multiplicación Tera T 1012 = 1.000.000.000.000 Giga G 109 = 1.000.000.000 Mega M 106 = 1.000.000 Kilo k 103 = 1.000

Hecto h 102 = 100 Múl

tiplo

s

Deca da 101 = 10 Deci d 10-1 = 0,1 Centi c 10-2 = 0,01 Mili m 10-3 = 0,001

Micro µ 10-6 = 0,000001 Nano n 10-9 = 0,000000001 Pico p 10-12 = 0,000000000001

Femto f 10-15 = 0,000000000000001 Subm

últip

los

Atto a 10-18 = 0,000000000000000001

a) Los símbolos de las unidades deben escribirse en tipo romano, independientemente del tipo usado en el texto (times roman).

b) Los símbolos de las unidades no tienen plural. c) A los símbolos de las unidades no se les coloca punto final. d) Los símbolos de las unidades se escriben después del valor numérico completo en

la expresión de una magnitud, dejando un espacio entre el valor numérico y el símbolo.

e) Los símbolos de las unidades se escriben con minúscula excepto cuando el nombre de la unidad se deriva de un nombre propio; en este caso la primera letra se escribe con mayúscula. Ejemplo: m metro; s segundo; A ampere; Wb weber.

f) En los símbolos de las unidades no se debe remplazar una letra mayúscula por la minúscula o viceversa, aún en los textos especiales, pues cambia el significado.

19 ICONTEC. SI. Sistema internacional de unidades., p. 58 y ss.

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Por ejemplo: 10 kg significan diez kilogramos. 10 Kg significa diez kelvin gramos. g) Las unidades derivadas de nombres propios como ampere, newton, kelvin, no

cambian en plural, tal como sucede en castellano cuando se citan apellidos por ejemplo los Rivera, los García. Así se debe decir 10 ampere y no diez amperes.

h) Las unidades no se escriben con mayúsculas porque no son realmente apellidos de los sabios sino nombres de unidades que perpetúan su memoria.

i) Los símbolos de las unidades no se deben usar solos en el texto, en lugar de las unidades. Se debe decir recorrió cuatro metros y no recorrió cuatro m.

j) Los símbolos se usan únicamente a continuación de los valores numéricos, expresados en cifras y separados como se indica en (d).

k) Cuando la unidad compuesta está formada por la multiplicación de dos o más unidades, esto debe indicarse en cualquiera de las formas siguientes: N.m Nm

l) Cuando el símbolo de una unidad coincide con el de otra con prefijo, se debe tener cuidado para evitar confusiones. Por ejemplo, la unidad newton metro debe escribirse Nm ó m.N para evitar errores con el milinewton (mN).

m) Cuando una unidad se forma por la división de una unidad por otra, esto se debe indicar por cualquiera de las formas siguientes: m/s ó m.s – 1 ó m

s n) La unidad de temperatura termodinámica es el kelvin y no el grado kelvin; su

símbolo es K y no °K. En la práctica se utiliza el grado Celsius cuyo símbolo es °C. Ejemplos:

Correcto Incorrecto

5 km 25 kg 16 mm 50 km/h 5 cm3

5 km. 25 kgs

16 M.M ó 16 MM 50KM/H

5 c.c ó 5 cc. Con esta información ya se pueden resolver problemas de manejo de datos y de unidades, solamente que en Química Analítica trabajaremos con unidades de masa, volumen y cantidad de sustancia principalmente. Tabla 3. Unidades que no son del Sistema Internacional pero que se pueden utilizar con

él.

Magnitud Unidad Símbolo Valor en Unidades SI Tiempo. Minuto.

Hora. Día.

min h d

1 min = 60 s 1 h = 3600 s 1 d = 86400 s

Ángulo plano. Grado. Minuto.

Segundo.

° ‘ ’’

1° = π/180 rad 1’ = π/10800 rad 1’’ = π/648000 rad

Volumen. Litro. L 1 L = 10 – 3 m 3 Masa. Tonelada. t 1 t = 10 3 kg

2. El error asociado a las mediciones experimentales20. 20 Se le recomienda volver a revisar los conceptos ya trabajados en el curso: SANTA ESCOBAR, Mónica Andrea. Estadística descriptiva. UNAD, Bogotá, 2005.

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Cada una de las magnitudes anteriores tiene definido un patrón, unas operaciones experimentales para determinarlas y un conjunto de reglas que se deben observar para obtener un conjunto de datos. Sin embargo algunas de ellas deben ser transformadas para obtener otras, lo que significa que se dispone de tres formas de obtenerlas: de forma directa, cuando se tiene al patrón y se efectúa la comparación (longitud, masa), indirecta entre dos medidas y luego se establece una relación entre ellas (la densidad, para la cual se mide independientemente la masa y el volumen para luego dividirlas entre sí) o mediante equipos previamente calibrados (caso de la masa). La ciencia es exacta en parte. Los datos que ahora se disponen o se obtendrán en el trabajo experimental son afirmaciones de probabilidad; esto significa que es imposible conocer el verdadero valor de los mismos. La evidencia es sencilla; suponga que se desea medir la masa de unas esferas metálicas de hierro que tienen un diámetro de cinco centímetros, se utiliza una balanza cuya escala está en kilos, apenas se detecta que hay un cambio en el indicador de la escala al subir poco pero no se puede determinar la masa. Ahora se emplea una graduada en gramos encontrando un resultado de 12,5 g, se mide la masa de otra y se obtiene una masa relativamente igual. En el laboratorio se dispone de una balanza que da tres cifras y el peso registrado es 12,345 g; luego se efectúa la medida en una balanza analítica digital encontrando 12,3347 g. ¿Cuál es el valor real de la masa que tiene la esfera pesada si en todos los casos es la misma? Ahora se pesan cinco esferas que se supone se produjeron con el mismo material, la misma máquina y en el mismo lote encontrando valores tan diferentes como 12,3356 g, 12,3255 g, 12,3902 g, 12,3159 g y 12,3405 g. ¿Qué significan esos datos? ¿Todos son falsos? ¿Cuál es realmente el valor real de la masa de la esfera de cinco centímetros de diámetro? Los analistas experimentados han propuesto como principio: se debe conocer la incertidumbre asociada a un resultado y saber qué tan confiable es21. Muchos son los factores que entran en juego durante la determinación de cualquier magnitud física o química:

Al utilizar instrumentos de medición se debe conocer muy bien su escala ya que la última cifra se estima una fracción de la última división de la escala que posee. Actualmente se está implementando el equipo electrónico de pantalla digital, pero el principio es el mismo, sólo que se tiene un poco de más certeza ya que en el primer caso, a veces no es fácil diferenciar si esta entre tres y cuatro, por ejemplo.

No siempre basta una sola medida, al menos se requieren dos y valorar la diferencia que presentan; si es muy alta se necesita realizar una tercera para poder descartar alguna de las dos anteriores. El resultado final se suele expresar como el promedio de las dos.

Se deben desarrollar criterios para la selección adecuada de los métodos, los equipos utilizados, la calidad de los mismos y su confiabilidad, comparados con otros métodos ya que cada uno de ellos produce resultados diferentes.

La experiencia del analista, las condiciones ambientales de que dispone el laboratorio y la calidad de los reactivos que emplea.

Cada uno de ellos aporta un efecto al resultado final que se debe valorar. El error del

21 HARRIS, Daniel C. Op. Cit., p. 35.

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resultado de una medición permite revelar las cifras dudosas del valor numérico de una magnitud, que se obtiene como resultado de dicha medición. Se redondea de acuerdo con el orden numérico de la cifra significativa del error, es decir, el valor numérico de la medida debe finalizar en una cifra del mismo orden que el valor del error. Por ello se ha establecido una clasificación de los errores experimentales en tres categorías, definiéndose procedimientos que ayudan a identificarlos y a controlarlos; sin embargo, la experiencia es el primer factor que ayuda a minimizarlos. 2.1 Errores accidentales o groseros. Son los de más fácil identificación ya que están asociados al factor humano (dificultades en la percepción o ceguera a un color, la posición de los ojos frente a la escala del instrumento de medida (error de paralaje), prejuicio, impaciencia, confusión en la lectura de las cifras, (no sabe medir), a descuido en las recomendaciones definidas en el método (no homogeniza las soluciones, contamina reactivos, usa cantidades equivocadas de reactivos, invierte el orden de adición de reactivos) y al grado de experiencia en el trabajo analítico. El pleno conocimiento de sí mismo disminuye la influencia de este tipo de errores. 2.2 Errores aleatorios o indeterminados. Tienen una distribución alrededor de un valor central que puede estar incluida o no en los datos obtenidos. No es fácil determinar qué los puede causar y están asociados a las limitaciones del método, del instrumento y del conocimiento que lo soporta. Si se logran corregir algunos de los anteriores factores, de hecho que mejorarán los resultados aunque siga manteniéndose la limitación. No obstante se puede estimar su magnitud, frecuencia y efecto en el resultado final mediante técnicas estadísticas. Si al repetir las mediciones se obtienen valores numéricos iguales, no significa que se carece de este tipo de errores sino que la precisión y sensibilidad del método o de los equipos de medición no es la más adecuada. Los errores aleatorios son inconsistentes respecto a su valor y a su signo, no se pueden determinar por separado y provocan la inexactitud del resultado de medición. 2.3 Errores sistemáticos. Son errores que se repiten constantemente o varían de manera regular durante la realización de la experiencia y tienen una fuente fácilmente identificable como son el método o el instrumento entre otros. Siempre presentan una tendencia o sesgo en su reproducibilidad, es decir, tienen valores y signos determinados que pueden corregirse en la determinación final. Entre estos se tiene el proceso de calibración, sensibilidad del equipo frente al analito que se está determinando, uso del equipo en condiciones diferentes a las recomendadas por el fabricante, equipo defectuoso o sin mantenimiento, operaciones dentro del método que generan contaminación o modifican las propiedades de la sustancia bajo análisis, utilización inadecuada de la teoría y del manejo de los datos experimentales para obtener el resultado final. Cabe señalar que la corrección introducida en las mediciones del equipo de medición corresponde a la corrección de la indicación del aparato, la corrección agregada al valor de la medida se denomina corrección del valor de la medida. En algunos casos se determina un factor de corrección o un valor por el que se multiplica el resultado final de la

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medición con el fin de eliminar el error sistemático. Se pueden diferenciar las siguientes fuentes de error sistemático: 2.3.1 Errores instrumentales de medición. Son los que dependen de los equipos de medición utilizados. Si estos disponen de precisión elevada se pueden eliminar utilizando correcciones provenientes de la calibración o mediante técnicas como la pesada por diferencia en los métodos gravimétricos. Por ello es necesario verificar en el instrumento las siguientes propiedades:

Exactitud. Viene medida por el error, siendo tanto mayor cuanto sea menor éste. En esta cuestión se sigue la norma de que el instrumento de medida debe tener una exactitud diez veces superior a la prescrita para la medida; así, para medir décimas de milímetro se usa un equipo que determine centésimas.

Precisión. Cualidad que se confunde fácilmente con la exactitud y corresponde a la capacidad del instrumento de repetir la medida. La precisión está condicionada por la escala y los factores que la afecten: distancia entre trazos, nitidez de los mismos, medios ópticos para ampliar, el problema del paralaje o para las digitales, la variación de la última cifra que puede detectar.

Sensibilidad. Es el cociente de la variación en la indicación sobre la variación de la magnitud. En general depende de factores específicos del equipo y puede ser determinada en los procesos de calibración.

Fidelidad. Es la aptitud del equipo para reproducir la medida realizada sobre la misma muestra en igualdad de condiciones.

Límite de percepción (apreciación). Es la mínima variación en la magnitud indicada por el equipo.

Dispersión. Se presenta cuando al realizar un solo observador las mismas mediciones resultan diferentes valores. En cada caso, cada uno de ellos presenta pequeñas diferencias o son completamente diferentes.

2.3.2 Errores por el método de medición. Son los que ocurren a causa de la imperfección del método utilizado; surgen con frecuencia al emplear técnicas y procedimientos nuevos, al aplicar ecuaciones de la dependencia real entre las variables en estudio, con aproximaciones que pueden ser inexactas. Se deben precisar y tomar en consideración al evaluar los errores producidos por el equipo, en la medida y en el resultado final de la determinación. 2.3.3 Errores de instalación. Surgen debido a la incorrecta ubicación de la aguja del equipo de medida (cuando son analógicos) respecto a la marca inicial de la escala, condiciones requeridas para el montaje del equipo relacionadas con el correcto uso del equipo (temperatura, eliminación de vibraciones, fuente de energía eléctrica regulada). Como regla general en el trabajo de determinación de los errores, es necesario considerar que incluso en las mejores condiciones experimentales la exactitud de la medición nunca puede superar la que suministran los instrumentos de medida.

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3. Precisión y exactitud en las mediciones analíticas. En un tema anterior, se establecieron las condiciones de obtención de las muestras antes de dar inicio a la determinación analítica respectiva. Ahora se supone que se trabaja la técnica correspondiente obteniendo un conjunto de medidas o de datos que están compuestos de un valor numérico y de la unidad de magnitud correspondiente: una masa, un volumen, la concentración de una solución estándar, una absorbancia, una distancia recorrida en un determinado cromatograma, etc. Los datos obtenidos en cualquier medida están afectados por errores que pueden ser despreciables o graves, afectando seriamente en este caso las conclusiones o recomendaciones que se harían a partir de ellos. Como no se saben de antemano, es necesario estimar la reproducibilidad y la confiabilidad de dichos datos; es decir, que tan verdaderos son. ¿Cómo se resuelve esa duda? La figura 3 muestra la distribución de un experimento que está determinando una magnitud fisicoquímica para un sistema ideal, del cual se conoce su valor verdadero o valor medio ubicado al centro de la escala horizontal y se ilustran cinco casos que se pueden encontrar al realizar la correspondiente medida utilizando el método estándar previamente definido, el mismo utilizado para determinar el valor medio, y al lado derecho se encuentra una descripción de la distribución de cada uno de los resultados encontrados, los cuales se ubican en la correspondiente escala utilizando un cuadrado de color negro.

Figura 3. Valoración de los conceptos de Precisión y Exactitud.

En el primero, los datos se distribuyen alrededor del valor medio sin que necesariamente coincidan con el valor medio, tanto hacia la izquierda como hacia la derecha. Corresponde a una situación ideal, es decir, se han controlado eficazmente los tres tipos de error mencionados arriba.

En el segundo, se encuentra una situación parecida pero el valor medio del conjunto de datos no coincide con el valor verdadero definido para la magnitud medida; se presentan errores sistemáticos principalmente.

En el tercero, la distribución es muy amplia, sin embargo se encuentra que el valor medio del conjunto de datos es muy cercano al valor verdadero, muestra una excelente combinación de errores aleatorios y sistemáticos, pero la determinación tiene problemas al momento de valorar su coeficiente de error como lo veremos más adelante.

Para el cuarto caso, la distribución de resultados muestra un sesgo, indicador de posibles errores sistemáticos, menor que en el tercer caso pero más amplia que la del segundo.

El quinto caso presenta dos distribuciones de datos con una distribución muy pequeña cada uno pero sus valores medios no coinciden con el valor verdadero definido para la magnitud medida.

Ojalá la valoración de los datos analíticos fuera así de simple, pero la realidad es muy diferente. Los químicos analistas se dedican a explorar cuál método se aproxima al valor verdadero en la determinación de

Exactitud y precisión altas.

Precisión elevada, baja exactitud.

Baja precisión pero promedio cercano al valor medio.

Precisión pobre y valor alejado de la media.

Precisión elevada, pero lejos del promedio

Valor medio o verdadero

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una propiedad fisicoquímica cualquiera controlando cada tipo de error, los fundamentos del método y otras variables para encontrar un valor cercano al valor verdadero que sólo conoce la naturaleza. Estos se recopilan en tablas que muestran el grado de exactitud y precisión alcanzadas para utilizarlos como criterios de comparación para determinar cuánto error se ha cometido en la medición con otros métodos o con la misma técnica y hasta tecnología. Entendemos la exactitud como el grado de concordancia entre el resultado de un ensayo y el valor de referencia aceptado para el analito, es decir da un estimado sobre la confianza del proceso seguido en esa medición. Mientras que precisión es la reproducibilidad de los resultados; es causada o distorsionada por la contribución de los errores aleatorios, el sesgo generado por los errores sistemáticos y la proximidad de estos al valor de referencia considerado en el concepto de exactitud. Se puede establecer un primer criterio de medición de la precisión y la exactitud de un resultado estableciendo el error absoluto y el error relativo; el primero corresponde a la diferencia entre el valor real y el valor obtenido, generalmente relacionado con la media de los resultados provenientes de la replicación del ensayo dos o más veces, dando un estimativo de la incertidumbre mientras que el segundo es la relación entre la incertidumbre encontrada en el error absoluto y el valor medido. También se llama incertidumbre relativa. Se ha medido una magnitud cualquiera de la cual se sabe que su valor exacto es A, pero cuando se efectúan las medidas en otras porciones de muestra hallamos un valor a diferente al A inicial. El error absoluto equivale a:

A – a = ∆a Al desconocer la magnitud de A no se puede determinar el signo del error por lo que conviene calcular el error E:

E = |A – a| = |∆a| Esto significa que el valor real debe reportarse como:

A = a ± E El error absoluto máximo de un instrumento nunca es mayor a una división de la escala del instrumento. El error relativo es el cociente del error absoluto sobre el valor nominal de la magnitud que se mide, permite juzgar el grado de aproximación de una medida. Se suele expresar en porcentaje:

Error relativo = E/A = (Error absoluto/valor medido) 100 Lo anterior permite considerar que los datos son números aproximados que llevan por sí mismos una incertidumbre; para valorar su efecto sobre el resultado final es necesario elegir la variable o la medida menos favorable para que el valor real de la magnitud se encuentre dentro de un intervalo de valores dado por los límites del error. Esto será más claro cuando se estudie el concepto de las cifras significativas. Regresando a la figura 3, el primer caso es lo ideal que se debe encontrar en cualquier determinación analítica, los demás muestran tendencias que se presentan en la relación entre estos dos conceptos. Afortunadamente existen formas de poder evaluar cómo se presentan los resultados y establecer sus causas para corregirlas como se analizarán más adelante. 3.1 Determinación de los errores en un análisis químico. La realidad muestra la relatividad del conocimiento humano y el esfuerzo intelectual de reducirla. Es necesario aprender a eliminar los errores accidentales al mejorar habilidades, detectar las deficiencias de los sentidos, perfeccionar los equipos con los cuales se hacen las medidas y valorar las fuentes de error sistemático ya descritas pues los errores aleatorios no se pueden eliminar completamente. Afortunadamente

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hay una forma de poder determinar la reproducibilidad y la confiabilidad de los datos. Ahora se devela el fundamento teórico que soporta los criterios ya expuestos. En esta parte se desarrolla la determinación experimental de la masa de un grano de fríjol y sobre esa base explicar el modelo estadístico que ha ayudado a definir el significado del error absoluto y del error relativo. Para ello, se tiene una muestra comercial correspondiente a una libra proveniente del lote de un supermercado (más adelante se discutirá esta parte ya que desde aquí se comienza a controlar la incertidumbre en la determinación), en el laboratorio se realiza un número significativo de medidas en una balanza analítica Metler con aproximación a la diezmilésima de gramo (0,0001 g) la cual está debidamente calibrada y se encuentra en un sitio especial libre de vibraciones y conectada a una instalación de corriente regulada. En la determinación de la masa se observan todas las precauciones requeridas para una pesada obteniendo los datos de la tabla 4.

Tabla 4. Medidas de masa (en gramos) para un grano de fríjol proveniente de una muestra comercial22

0,1188 0,2673 0,1795 0,2369 0,1826 0,1860 0,2045 0,1795 0,1910 0,1409 0,1733 0,2146 0,1965 0,2326 0,2382 0,2091 0,2660 0,2126 0,2048 0,2058 0,1666 0,2505 0,1823 0,1590 0,1722 0,1462 0,1985 0,1769 0,1810 0,2126 0,1596 0,2504 0,2285 0,3043 0,1683 0,2833 0,2380 0,1930 0,1980 0,1402 0,2060 0,2097 0,2309 0,2458 0,1496 0,1865 0,2087 0,2335 0,2173 0,1746 0,1677 0,2456 0,1828 0,1663 0,1971 0,2341 0,2327 0,2137 0,1793 0,2423 0,2012 0,1968 0,2433 0,2311 0,1902 0,1970 0.1644 0,1935 0,1421 0,1202 0,2459 0,2098 0,1817 0,1736 0,2296 0,2200 0,2025 0,1996 0,1995 0,1732 0,1987 0,2482 0,1708 0,2465 0,2096 0,2054 0,1561 0,1766 0,2620 0,1642 0,2507 0,1814 0,1340 0,2051 0,2455 0,2008 0,1740 0,2089 0,2595 0,1470 0,2674 0,1701 0,2055 0,2215 0,2080 0,1848 0,2184 0,2254 0,1573 0,1696 0,2262 0,1950 0,1965 0,1773 0,1340 0,2237 0,1996 0,1463 0,1917 0,2593 0,1799 0,2585 0,2153 0,2365 0,1629 0,1875 0,2657 0,2666 0,2535 0,1874 0,1869 0,2266 0,2143 0,1399 0,2790 0,1988 0,1904 0,1911 0,2186 0,1606

Analice los datos. De una libra se han tomado 140 granos y se ha determinado su masa con una incertidumbre de ± 0,0001 g que corresponde a la sensibilidad de la balanza analítica. ¿Cuál es el valor verdadero que representa la masa del grano de fríjol? ¿Cuál es el resultado obtenido en esta determinación? 3.1.1 Determinación de la precisión del resultado. Para resolver estas preguntas se recurre a la estadística, una rama de las matemáticas para trabajar con esta cantidad de datos. Ella define dos campos de actuación para ese tratamiento: la primera es la descripción, el resumen de la información de tal modo que se emplee mejor y la segunda es la inducción, consistente en formular generalizaciones a propósito de una determinada población sobre la base de una muestra extraída de la misma. El primer asunto por resolver es cómo se obtiene la muestra, que características estadísticas debe tener para poder establecer las condiciones para poder efectuar las inferencias de la misma hacia la población.

22 Datos tomados de BENÍCIO DE BARROS NETO, IEDA SPACINO SCARMINIO, ROY EDWARD BRUNS. Como fazer experimentos. Pesquisa e desenvolvimiento na ciência e na indústria. Oficinas gráficas da Universidade Estadual de Campinas, Brasil 2001., pág. 18

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Población: conjunto de individuos, objetos o datos finitos o infinitos. Su tamaño es tan grande que

hace difícil identificar las características de cada uno de ellos.

Muestra: una parte de la población que ha sido seleccionada bajo ciertos criterios con el propósito de realizar inferencias de sus características hacia la población de la cual fue tomada.

Significa la necesidad de realizar un muestreo solo que los criterios son estrictamente estadísticos. Las técnicas que se pueden utilizar para efectuar ese muestreo pueden ser:

i. Aleatorias. Sobre la población se asignan números y mediante una tabla de datos aleatorios se procede a efectuar la selección asignando un número en secuencia y definiendo cual se selecciona.

ii. Sistemáticas. Si la población se encuentra afectada por tiempo, orden y espacio, se toma un criterio de sacar un individuo siguiendo una periodicidad o frecuencia de tiempo (cada minuto, cada metro, cada 100 unidades).

iii. Estratificadas. Si la población se mantiene estable, se puede dividir en grupos más pequeños denominados estratos, se define el grado de participación en los mismos y se afina el criterio de selección tomando un porcentaje de individuos de cada estrato hasta completar el número correspondiente según el porcentaje de importancia asignado.

En estos procesos vemos que se establece fundamentalmente un criterio de azar, es decir, de no establecer un proceso muy uniforme de selección y de buscar que realmente la muestra obtenida sea estadísticamente representativa. Se ratifica lo mencionado en el tema anterior, utilizando indistintamente el concepto de muestra para el análisis químico. Ahora, el problema es el análisis de los datos obtenidos después de aplicar un procedimiento analítico para determinar una característica de la muestra ya seleccionada. Existen dos formas de presentación de los datos: una es en forma de tabla, es decir, disponerlos en filas y columnas siguiendo las siguientes recomendaciones:

Establecer un criterio de ordenación: alfabético, ascendente, descendente, cronológico. Diseñar el cuadro o la tabla buscando su sencillez. Si aparecen varias tablas, es conveniente numerarlas. Escribirles un título que los identifique, además de suministrar información sobre la fuente y la fecha

de recolección de los datos (si es relevante). Identificar claramente cada columna con títulos y subtítulos de modo que ubique claramente al

lector. Incorporación de los datos manteniendo la mayor uniformidad posible conforme a la precisión de los

instrumentos de medida o a la incertidumbre definida para los mismos. Si se utiliza algún tipo de convención para aclarar o destacar algunos de los datos, es necesario

elaborar una tabla de convenciones que explique claramente su significado. Cerrar la tabla con líneas fuertes arriba y abajo de la agrupación de datos de tal manera que conserve

su identidad. La otra forma es mediante el uso de gráficas utilizando figuras geométricas enmarcadas dentro de un sistema de coordenadas rectangulares. Su finalidad es brindar la información visual clara del fenómeno o característica medida. Utilizando los datos de la tabla 4 se establece como criterio de ordenación ascendente, obteniéndose la tabla 5:

Tabla 5. Ordenación ascendente de los datos de la tabla 4.

0,1188 0,1663 0,1810 0,1965 0,2058 0,2237 0,2458

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0,1202 0,1666 0,1814 0,1965 0,2060 0,2254 0,2459 0,1340 0,1677 0,1817 0,1968 0,2080 0,2262 0,2465 0,1340 0,1683 0,1823 0,1970 0,2087 0,2266 0,2482 0,1399 0,1696 0,1826 0,1971 0,2089 0,2285 0,2504 0,1402 0,1701 0,1828 0,1980 0,2091 0,2296 0,2505 0,1409 0,1708 0,1848 0,1985 0,2096 0,2309 0,2507 0,1421 0,1722 0,1860 0,1987 0,2097 0,2311 0,2535 0,1462 0,1732 0,1865 0,1988 0,2098 0,2326 0,2585 0,1463 0,1733 0,1869 0,1995 0,2126 0,2327 0,2593 0,1470 0,1736 0,1874 0,1996 0,2126 0,2335 0,2595 0,1496 0,1740 0,1875 0,1996 0,2137 0,2341 0,2620 0,1561 0,1746 0,1902 0,2008 0,2143 0,2365 0,2657 0,1573 0,1766 0,1904 0,2012 0,2146 0,2369 0,2660 0,1590 0,1769 0,1910 0,2025 0,2153 0,2380 0,2666 0,1596 0,1773 0,1911 0,2045 0,2173 0,2382 0,2673 0,1606 0,1793 0,1917 0,2048 0,2184 0,2423 0,2674 0,1629 0,1795 0,1930 0,2051 0,2186 0,2433 0,2790 0,1642 0,1799 0,1935 0,2054 0,2200 0,2455 0,2833 0,1644 0,1810 0,1950 0,2055 0,2215 0,2456 0,3043

Ahora empieza el ejercicio de interpretación de los datos utilizando esquemas gráficos que ayuden a establecer inferencias de los mismos conforme a los postulados de la estadística. El primer descriptor es el rango, relativamente fácil de determinar al ordenar los datos de manera ascendente o descendente pues corresponde a la diferencia entre el mayor valor y el menor23. Para este caso son:

0,3043 – 0,1188 = 0,1855 Este estadístico establece un límite en el cual están las variaciones de medidas pero todavía no resuelve la primera pregunta ya que no representa al conjunto de datos, ni permite describir su comportamiento por ello es necesario recurrir al concepto de clase o de intervalo. El intervalo de clase son categorías contiguas definidas entre límites para no incluir valores menores o mayores a su intervalo facilitando una representación tabular o gráfica con la ventaja de poder describir alguna característica particular del conjunto de datos en observación. Existe un principio o regla práctico que establece para un grupo de datos no menos de seis ni más de 15 para definir el tamaño de los intervalos24. Para este caso práctico, por facilidad de manejo de datos se tomarán intervalos de 10, con el cual se efectúa la siguiente operación:

0,1855/10 = 0,01855 Como sólo se tienen cuatro cifras decimales, es necesario hacer una aproximación quedando el valor del intervalo en 0,0186, el cual se suma al menor valor del intervalo y así sucesivamente para construir la primera columna de la tabla 6.

23 Con fines prácticos no vamos a identificar la magnitud de los valores que estamos trabajando en el ejemplo para no confundirnos. Sin embargo, cuando reportemos el resultado final si es necesario considerar la magnitud de la propiedad en discusión: masa. 24 En el curso de Estadística descriptiva de la UNAD, se recomienda utilizar la regla de Sturges y aparece la tabla 2.6 que puede utilizar para validar esta recomendación empírica. El estudiante puede comprobar que no se contrapone, sino que da un poco más de maniobrabilidad para la interpretación de los datos, que es lo que interesa mostrar aquí.

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Terminado el cálculo total, se contabiliza cuántas medidas se encuentran en cada clase de intervalo, completando la columna dos de la tabla 6 y finalmente se suma la acumulación de frecuencias para encontrar el número total de ellas que debe ser de 100. Los resultados finales se encuentran descritos en la tabla 6. Representando los datos en un histograma, se tiene la figura 4. Observando el histograma resultante, hay una tendencia de acumulación para la frecuencia establecida en el rango cinco, la cual se consideraría como si fuera la del valor verdadero, sin embargo se tiene una variabilidad que todavía no representa cuál es el valor verdadero del peso del grano de fríjol. Por ello se recurre a otros estadígrafos como son el valor promedio y la desviación estándar.

Tabla 6. Frecuencia de los datos determinados en la tabla 5.

Intervalo de clase Frecuencia Frecuencia absoluta Frecuencia relativa 0,1188 – 0,1374 4 4 0,13 0,1375 – 0,1561 9 13 0,20 0,1562 – 0,1748 20 33 0,37 0,1749 – 0,1935 26 59 0,47 0,1936 – 0,2122 30 89 0,60 0,2123 – 0,2309 18 107 0,77 0,2310 – 0,2496 17 124 0,87 0,2497 – 0,2683 13 137 0,90 0,2684 – 0,2870 2 139 0,93 0,2871 – 0,3043 1 140 1,00

Figura 4. Histograma de la distribución de frecuencias de la tabla 6.

0

5

10

15

20

25

30

0,12 0,16 0,19 0,23 0,27

Frecuencia

La aplicación de dichos estadígrafos debe corresponder a la tendencia que están presentando los datos en su distribución como se ve en la figura 4. Tendencia que corresponde a lo que se denomina una curva normal de distribución de frecuencias, donde existe un punto central que acumula el mayor número de datos. La curva que sigue esa tendencia se denomina la curva de Gauss la cual tiene como propiedades:

La curva normal tiene forma de campana con un pico único. En el centro de la curva se encuentra la media o valor esperado del conjunto de datos. Sus colas se extienden indefinidamente y nunca tocan el eje horizontal. Cada curva describe una población a la que se puede diferenciar por su valor medio y su anchura.

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Independiente del ancho de la curva normal, el área bajo ella siempre equivale a 1,00. Esta propiedad permite efectuar predicciones utilizando el concepto de probabilidad.

Lo anterior, permite encontrar otras dos medidas que ayudan a caracterizar los datos como son la media aritmética y la desviación estándar. La media aritmética, un estadígrafo de posición ya que determina la tendencia central del conjunto de datos analizados, corresponde a la suma de todos los valores, dividido por el número total de datos. Se suele llamar únicamente media dándose por entendido que corresponde a esta medición. Cuando se determina directamente sobre una población se distingue con la letra µ y si corresponde a la de una muestra se

escribe . La expresión matemática es:

La desviación estándar, un estadígrafo de dispersión, mide la extensión del conjunto de datos alrededor de la media. Corresponde a la raíz cuadrada de la media de los cuadrados de las desviaciones de cada dato individual, de modo que la suma de esos cuadrados es mínima. Si se determina sobre la población se identifica como σ, mientras que si se determina sobre una muestra se representa s. La expresión matemática es:

Regresando al ejemplo y utilizando una calculadora con función estadística o mediante una hoja de cálculo electrónica, los resultados son:

Media: 0,2023 g Desviación estándar: 0,04

Como se debe hacer una descripción de los datos, relacionada con errores aleatorios, la precisión de los resultados anteriores se expresa como la combinación de la media y la desviación estándar:

Peso del grano de fríjol = Media ± desviación estándar = 0,20 ± 0,04 g A pesar de la sensibilidad de la balanza, la variación de la muestra es tan grande que hace disminuir la precisión de la medida. Es otra forma de reportar el error. 3.1.2 Propagación del error. Aquí no termina la discusión con la valoración de los errores aleatorios. Cuando se realizan operaciones con los datos, como suma, resta, multiplicación, elevar a una potencia, aparecen condiciones que influyen la generación de otros debido a la acumulación de los errores ya valorados en cada medida, por ello se revisa el formulismo matemático que ayuda a determinarlos.

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3.1.2.1 Suma y resta. Si la incertidumbre es la diferencia del valor de un dato con respecto a su valor real, ésta puede tener dos signos: positivo o negativo según su relación sea por defecto o por exceso. Si se determina cómo influye en esta operación matemática, es necesario considerarla al cuadrado o, mejor, como su valor absoluto. Sea la siguiente relación definida por tres mediciones diferentes así:

Y = a + b - c Cada una de ellas tiene asociadas las incertidumbres a ± ∆a, b ± ∆b y c ± ∆c. La propagación de incertidumbres será:

Incertidumbre = √(∆a)2 + (∆b)2 + (∆c)2 3.1.2.2 Multiplicación y división. En este caso la relación de variables para una determinada medición es:

Y = ab/cd

Incertidumbre = 3.1.2.3 Potenciación. Cuando en la utilización de una expresión matemática es necesario efectuar operaciones de potenciación, la valoración de la incertidumbre tendrá la siguiente expresión25:

Y = an

Incertidumbre = n|∆a/a| Cuando existe combinación de operaciones, se sugiere que se haga el mismo tratamiento que cuando se despeja una forma algebraica, desarrollando los términos Internos más simples hasta cubrir toda la ecuación. Al comienzo le va a costar algo de trabajo la aplicación de la propagación del error pero al final su destreza le permitirá valorar la calidad de los resultados obtenidos. En los informes de laboratorio siempre se deben efectuar estos cálculos. En cualquier experimento analítico ocurrirán errores aleatorios y sistemáticos. El error combinado estimado para el resultado final, corresponde a la incertidumbre mostrando un intervalo real de valores dentro del cual probablemente estará ubicado el valor de la cantidad medida. 3.2 Estimación de las cifras significativas. No todas las mediciones se pueden realizar con el mismo número de cifras ya que depende de la escala del instrumento como se mencionó antes. Muchas veces cuando se efectúan cálculos para transformar esas mediciones en el resultado esperado se encuentra que muchos de ellos tienen entre dos y cuatro cifras decimales, ¿cómo se hace para reportar el resultado con la precisión esperada? 25 No olvide que se trata de trabajar con el valor absoluto de la medición o con la raíz cuadrada de su cuadrado, para eliminar la influencia de los signos de cada incertidumbre.

+

2

a

∆a+

2

b

∆b+

2

c

∆c2

d

∆d

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Una cifra significativa es aquella sobre la cual se tiene un grado de certeza de que es verdadera, pero también se puede encontrar que tiene un grado de incertidumbre de acuerdo con la posición que ocupe dentro de un conjunto de datos. Por ello se prefiere hablar mejor del número de cifras significativas, para indicar al número de cifras que se pueden contar desde la izquierda hasta la primera cifra con incertidumbre que aparece en el dato analítico. En el caso de la balanza analítica, la cifra 0,0001 corresponde a la cantidad de incertidumbre que arroja el instrumento luego el peso 0,2345 g determinado para una sustancia tendrá en la cuarta cifra su incertidumbre permitiendo tener certeza solamente de las otras tres. No ocurre lo mismo con el volumen que se determina con una incertidumbre de 0,01 mL. Al combinar estas dos medidas el resultado no podrá ser reportado con una incertidumbre equivalente a cuatro cifras decimales. 3.2.1 Reglas para la determinación del número de cifras significativas. Como procedimiento para el tratamiento de datos, se recomienda trabajar con todos los datos y cantidad de cifras que sea posible hasta obtener el resultado final, luego se comienza a valorar el grado de significancia de cada una de ellas conforme a las siguientes reglas:

El resultado final no debe poseer más de un dígito dudoso o con incertidumbre. Cuando se tengan que eliminar los dígitos dudosos del resultado final debe efectuarse

aproximaciones así: si el dígito es mayor de cinco, se debe incrementar en uno la cifra final del resultado. Si el dígito a rechazar es igual a cinco, debe observar la cifra dudosa pues si ésta es impar la aumenta en uno y si es par se deja. Se elimina cuando el dígito es menor de cinco.

En operaciones de suma, resta, multiplicación o división, el número de cifras significativas se toma del dato que tenga el menor número de cifras significativas.

Cuando se puede determinar para una serie de datos su media y su desviación estándar, el número de cifras significativas del resultado será el establecido por este último resultado.

3.2.2 El resultado final. No obsta resaltar la necesidad de establecer desde el inicio de cualquier experimento la vigilancia de la calidad de los resultados esperados. El error puede ser minimizado si se conocen los fundamentos teóricos del método, el procedimiento, la incertidumbre de los instrumentos de medición y la representatividad de la muestra para poder tener certeza en la aproximación hacia el dato verdadero que se busca. Esto significa que se puede recurrir a resultados ya reportados en los Handbook para comparar los nuestros o para referenciar una nueva técnica que ayude al mejoramiento de la obtención de los mismos. La comparación siempre se efectuará en términos del error absoluto y del error relativo que también pueden ser verificados y comparados mediante procedimientos estadísticos y la determinación de la propagación del error como se describió aquí. 4. Determinación de la muestra y criterio de aceptación de datos. En los temas anteriores se definió un procedimiento para el trabajo analítico y aunque se había discutido sobre la muestra, quedó pendiente estudiar un criterio estadístico para definir su grado de representatividad, característica primordial de calidad. Por ello se regresa nuevamente a la estadística para disponer de un criterio que ayude a la mejor selección de la misma a partir de una población determinada. 4.1 Significado estadístico de la muestra. La muestra tiene tal relación estadística con su población, que permite inferir sus propiedades a partir de las de aquella (por ahora la media y la desviación estándar). Para que esto se cumpla con el mínimo posible de error, es necesario que la muestra sea estadísticamente aleatoria, es decir debe ser tomada de tal modo que todos los miembros de la población tengan la misma posibilidad de ser elegidos. 4.2 Criterios para la aceptación de datos.

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En el ejemplo del grano de fríjol no es necesario analizar cada uno de los datos para aceptarlos, es decir, considerarlos dentro de los valores incluidos en la tendencia de los mismos ya que al efectuar la experiencia cada uno de ellos es real; fue tomado de la naturaleza. La variabilidad de esta muestra depende de factores genéticos, agronómicos, condiciones del cultivo, adición de abono, manejo del grano, etc., variables complejas y difíciles de controlar excepto con un adecuado diseño experimental que permitiría minimizarlas al máximo (en otros cursos de la carrera se podrá profundizar en el tema que no se puede cubrir aquí por no ser el objetivo del curso). Cuando se encuentra en un conjunto de medidas, resultados que difieren del resto de manera inexplicable, el primer impulso es eliminarlos porque se piensa que son producto de errores humanos. La mejor alternativa sería aumentar el número de observaciones con lo cual el error ocasionado al utilizar los valores sospechosos se minimizaría o quedaría compensado por observaciones desviadas en sentido contrario. Sin embargo, sucede frecuentemente que esto ya no es posible y como existe la posibilidad de que dichos resultados realmente pertenezcan al universo de la muestra y por ello sean estadísticamente válidos, se debe utilizar un criterio también estadístico para analizarlos y tomar la decisión de eliminarlos o de aceptarlos. Existen varios métodos estadísticos de los cuales es recomendable aplicar cualquiera una sola vez porque la media y la desviación estándar del resultado final dependen de si los valores sospechosos se incluyen o no en el cálculo respectivo. 4.2.1 El contraste de Dixon (contraste Q). En muestras pequeñas (de 3 a 7) el contraste evalúa la medida sospechosa comparando la diferencia con la más próxima calculando el estadístico: Luego se define un límite de confianza que corresponde al 95 % y que en términos de probabilidad se establece como P = 0,05 listado en la tabla 7. Si el valor de Q supera el valor crítico definido en dicha tabla lo debemos rechazar; si no es mayor se incluye dentro de los datos. Estudie el siguiente ejemplo. En el análisis de cloruros en una muestra de un encurtido se obtuvieron los siguientes resultados: 0,56 mg/mL. 0,54 mg/mL. 0,48 mg/mL. 0,55 mg/mL. Se quiere saber si todos los resultados son válidos o si es menester descartar alguno de ellos.

Tabla 7. Valores críticos de Q (P = 0,05)26.

Tamaño de muestra Valor crítico 4 0,831 5 0,717 6 0,621 7 0,570

De los cuatro datos se sospecha del tercero, luego se calcula el factor Q: Q = 12,75 que es mucho mayor al valor crítico definido para cuatro datos en la tabla 7 (0,831) por lo cual se elimina el cuarto dato. 26 MILLER, James N. MILLER, Jane C. Op. Cit., p 265.

Q = |Valor sospechoso – valor| cercano|

(valor mayor – valor menor)

Q = |0,48 – 0,54|

(0,56 – 0,48)

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4.2.2 El contraste de Grubbs. Otro criterio estadístico, recomendado por la ISO, compara la desviación entre el valor sospechoso y la media muestral con respecto a la desviación estándar de la misma, por lo que se debe calcular el estadístico:

G = |Valor sospechoso - x|/s x y s son los estadísticos de la muestra calculada incluyendo al dato sospechoso. Luego se compara con los valores críticos definidos en la tabla 8 para P = 0,005. Si es mayor a este valor se rechaza, de lo contrario se acepta. Haga el mismo ejercicio con el ejemplo del contraste anterior. Los estadísticos para el conjunto de datos anteriores es media = 0,53 y desviación estándar = 0,04. Ahora se calcula G:

G = |0,48 – 0,53|/0,04 = 1,25

Tabla 8. Valores críticos de G (P = 0,005)27.

Tamaño de la muestra Valor crítico 3 1,155 4 1,481 5 1,715 6 1,887 7 2,020 8 2,126 9 2,215 10 2,290

Comparado con el valor crítico de la tabla 8 se tiene que es menor a 1,48 por lo que debe ser incluido en el análisis. Si todavía se mantiene la incertidumbre, lo recomendable es volver a efectuar el análisis si se dispone del tiempo, los reactivos y el costo financiero lo permite; de lo contrario es mejor continuar con el análisis de los resultados. Se recalca nuevamente en la importancia de efectuar un buen diseño del experimento, analizando y controlando todas las posibles fuentes de error. 27 Íbid. p 266.

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ACTIVIDAD DE APRENDIZAJE 4

1) Se quiso determinar la masa de un grano de fríjol colombiano determinando sobre una muestra de una libra el peso de algunos de ellos conforme a la tabla 9. Efectúe el análisis estadístico de los mismos elaborando su histograma y calculando la media y la desviación estándar. ¿Qué conclusiones se pueden obtener del análisis estadístico de esta muestra? Si tiene algunas recomendaciones para mejorar la experiencia no dude en escribirlas.

Tabla 9. Datos experimentales para la determinación del peso, en gramos, de un grano de fríjol colombiano. 0,5628 0,3795 0,4510 0,4335 0,4260 0,3779 0,2830 0,2962 0,5211 0,4241 0,3286 0,2020 0,3141 0,4279 0,3833 0,4018 0,5570 0,4554 0,4537 0,4268 0,4198 0,3378 0,4266 0,5124 0,5167 0,4487 0,4496 0,4917 0,4117 0,5083 0,3546 0,3552 0,4957 0,3434 0,4614 0,3589 0,4021 0,3436 0,3728 0,3277 0,3223 0,3787 0,3957 0,3397 0,4602 0,4237 0,3930 0,3924 0,3641 0,4079 0,3853 0,3152 0,2836 0,3553 0,4518 0,3969 0,3156 0,3839 0,3331 0,3976 0,3424 0,4384 0,4351 0,4897 0,3996 0,3342 0,3593 0,3765 0,2357 0,3419 0,3789 0,5517 0,2829 0,3875 0,4814 0,4608 0,4093 0,3519 0,5102 0,4794 0,4938 0,3217 0,3800 0,4384 0,4269 0,3457 0,3996 0,3808 0,3640 0,3869 0,4362 0,4110 0,4809 0,5047 0,3963 0,4278 0,3007 0,3992 0,4036 0,3688 0,5124 0,3660 0,2928 0,3194 0,4143 0,4467 0,4185 0,3760 0,4076 0,4286 0,3397 0,4028 0,3021 0,3606 0,3916 0,3671 0,3700 0,3320 0,4063 0,4687 0,4142 0,2730 0,2840 0,4117 0,3989 0,3630 0,3463 0,3841 0,2945 0,4049 0,4077 0,3179 0,4117 0,3841 0,3228 0,3253 0,3373 0,4573 0,5170 0,3459 0,3430 0,2821 0,3117 0,4042 0,3869 0,3000 0,4405 0,3633 0,3664 0,2443 0,3528 0,2910 0,5147 0,3271 0,4774 0,3912 0,4388 0,3223 0,3227 0,2576

2) Teniendo en cuenta los siguientes datos utilice los contrastes de Dixon y Grubbs para determinar si puede eliminar los datos sospechosos. Explique claramente los criterios que ha utilizado para tomar su decisión.

Humedad de una harina de maíz.

0,1232 g 0,1506 g 0,1345 g 0,1196 g 0,1423 g

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Porcentaje de grasa en una muestra de aguacate.

10,5 9,3 11,0 10,9 13,3

Cantidad de fibra cruda en habichuela.

1,58 g 1,60 g 1,78 g 1,59 g 1,61 g

Contenido de nitrógeno en una muestra de leche de vaca.

0,5446 g 0,5021 g 0,5532 g 0,5489 g 0,5521 g 0,5500 g 0,5498 g

Contenido de vitamina C en un jugo de naranja natural.

49,7 mg 50,5 mg 51,0 mg 49,5 mg 45,9 mg 50,9 mg 50,5 mg

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ACTIVIDADES DE PROFUNDIZACIÓN Y TRANSFERENCIA

Reconociendo la importancia de este evento, tanto que se programó en la guía de actividades un espacio temporal para un evento de interacción estudiantes – tutor, no se quiere direccionar desde el material el tipo de actividad por realizar ya que se deja en autonomía al docente tutor para que la diseñe conforme a las necesidades, disponibilidades y capacidades del grupo de estudiantes que está apoyando. Se sugiere un taller práctico, donde se tomen algunos ejemplos de las empresas de alimentos que se encuentren en el sector o se diseñe un estudio de casos hipotético teniendo en cuenta el desarrollo tecnológico de la región, de modo que sirva como punto de partida para el diseño de algún proyecto productivo o el mejoramiento del que sirve de análisis. El tutor deberá establecer claramente las competencias, productos y logros de la actividad que diseñe, de modo que se ajuste a los criterios previamente definidos por la institución, que le proporcione al estudiante criterios para su autoevaluación y consolidación del conocimiento. No olvide que quien debe trabajar en el momento del encuentro es el estudiante, la función a desarrollar en el mismo es de asesoría, apoyo y certificación de la consolidación del conocimiento por parte del grupo de estudiantes que participe activamente.

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ACTIVIDADES DE LABORATORIO Al ser el curso de Química Analítica Instrumental metodológico, requiere de la realización de eventos prácticos supervisados por el tutor que garanticen la posibilidad de que estudiante adquiera las destrezas, habilidades y competencias necesarias para la realización del trabajo experimental, como jefe de proceso responsable del control de calidad de un producto o para explorar su capacidad como investigador y dedicarse a este campo que permite conocer y explotar mejor los recursos disponibles de nuestro país de manera sostenible, con una concepción humanista de desarrollo. Con estas actividades se le brinda al estudiante la posibilidad de acercarse al concepto de riesgo, a conocer el tipo de sustancias que va a manejar, las precauciones recomendadas y las normas institucionales para el trabajo de laboratorio. Esta experiencia debe enriquecerlo, no generarle situaciones que atenten contra su vida; si es cuidadoso, protege su cuerpo y tiene una actitud proactiva, encontrará en el trabajo experimental otra experiencia de construcción y verificación del conocimiento. También, encontrará instrucciones para la elaboración del informe de su experiencia práctica. La ciencia se construye con el método que se aplicará en estas sesiones prácticas y el conocimiento se incrementa a través de la construcción del artículo científico. En su vida profesional deberá escribir informes de sus actividades, luego ésta es una oportunidad para ejercitar esa destreza. Sin embargo, el objetivo no es escribir extensos documentos, se tiene que ser concreto y describir lo que realmente se hizo, con las propias palabras, resaltando lo que ha aprendido y sus conclusiones, sin copiarlas de otros textos. Por último, habrá dos prácticas en el laboratorio que deben ser preparadas con anterioridad. La primera se relaciona con la metodología del análisis cualitativo, mediante la aplicación de unas técnicas suficientemente probadas que permitirán verificar la presencia o la ausencia de un determinado grupo funcional. La segunda revisará el tema del error al efectuar la determinación experimental del peso de un grano de maíz proveniente del mercado diario.

LA SEGURIDAD EN EL LABORATORIO QUÍMICO 1. Riesgos en el Laboratorio28.

28 ALFARO CUBILLOS, Ana Myriam. Seguridad en la industria de alimentos. UNISUR, Bogotá, 1994, pp. 333 – 353.

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No se desconoce la importancia que tiene el control de calidad en la industria de alimentos ya que se constituye en el respaldo de la garantía de ofrecer al consumidor un producto alimenticio que le aporte todos los nutrientes o buena parte de ellos, necesarios para tener y mantener una excelente salud y sin ningún organismo patógeno u otro elemento que se constituya en un riesgo para la salud. En este tema se va a estudiar cuáles son aquellos factores de riesgo que se tienen en un laboratorio químico. 1.1 Riesgos con compuestos químicos. Aparecen debido al manejo permanente y a la exposición a aquellas sustancias que es necesario manipular, moler o destapar para medir pequeñas cantidades, pesarlas, agregarlas a otras o disolverlas y a su manejo permanente o no. Los riesgos están relacionados con la facilidad de ser inhalados, absorbidos a través de la piel y las mucosas y por ingestión involuntaria del producto. La única manera de prevenir y/o disminuir esos riesgos es logrando un profundo conocimiento de las propiedades particulares que tiene ese compuesto y de los métodos más apropiados para su manejo. Lo anterior permite concluir que para el manejo de los reactivos químicos se deben reunir tres condiciones:

Conocimiento del producto químico. Conocimiento de su aplicación. Conocimiento que posee el operario o analista.

De los tres se enfatiza más en el primero ya que para el segundo y el tercero la persona que va a manejar una sustancia como éstas ya es un profesional en su manipulación. Algunas de las sustancias químicas al caer sobre la piel pueden ocasionar dermatosis por ser irritantes, corrosivas o alérgicas. Los reactivos líquidos son más o menos peligrosos dependiendo de la temperatura, la presión atmosférica, su estructura química, sus propiedades fisicoquímicas (volatilidad, inflamabilidad, temperatura de explosión) y de su interacción con la piel, las mucosas y el metabolismo. Los riesgos están relacionados con la facilidad de ser inhalados, absorbidos a través de la piel y las mucosas y la ingestión involuntaria del producto. Los reactivos gaseosos son los más peligrosos debido a la gran movilidad que presentan y a la facilidad de ser inhalados ocasionando somnolencia, asfixia, irritaciones, adormilamiento y envenenamiento. 1.1.1 Efectos de las sustancias químicas. Existe, al menos, tres vías de acceso de los compuestos químicos al interior del organismo humano que van a afectar su normal funcionamiento. Estas vías son:

Inhalación. El efecto directo que pueden tener las sustancias químicas sobre el organismo humano es muy variado ya que depende de su estado de agregación: si es sólido es fácil su dispersión como polvo o como humo. Los polvos al ser inhalados a través del aparato respiratorio se van a alojar en los pulmones y producen un grupo de enfermedades llamadas neumoconiosis, que dejan secuelas permanentes como lo muestra la tabla 10.

Tabla 10. Enfermedades producidas por reactivos químicos sólidos en polvo29.

29 CORTES, Luis E. Seguridad en el trabajo. Bogotá: Escuela Superior de Administración Pública, 1978, p. 21.

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Sustancia Enfermedad Asbesto Carbón Sílice Caliza Estaño Hierro

Caña de azúcar

Asbestosis Antracosis Silicosis Calicosis

Estannosis Siderosis Bagazosis

Los humos son partículas generadas durante la volatilización de metales fundidos o de materiales sometidos al fuego. Pueden ser inhalados, afectar los ojos y originar enfermedades crónicas. En la tabla 11 se encuentra un listado de ellas. Tabla 11. Enfermedades causadas por la aspiración de humos producidos por la vaporización de metales30.

Metales Enfermedades

Manganeso Mercurio

Plomo Cadmio

Zinc

Manganismo Hidrargirismo

Saturnismo Irritación, edema pulmonar Irritación, edema pulmonar

Absorción. Por lo general se relaciona con el contacto directo de la sustancia con la piel (especialmente las líquidas) atravesándola, acumulándose en el organismo y desencadenando enfermedades como el cáncer. Durante un trabajo cualquiera puede facilitarse la aparición de una serie de condiciones que favorecen la absorción del compuesto como:

o La transpiración continua alcaliniza la piel saponificando la capa grasosa que es arrastrada con el sudor.

o Los disolventes y demás compuestos orgánicos se solubilizan relativamente fácil en las grasas y de allí se difunden hacia el interior del cuerpo a través de las glándulas sebáceas.

o La aplicación de ungüentos y cremas grasosas sobre la piel favorecen el ingreso de sustancias tóxicas orgánicas.

o Las heridas, dermatitis y otros traumas que rompan o perforen la piel favorecen la entrada de los tóxicos al organismo.

o La falta de limpieza de la piel destruye la protección natural y permite la entrada de sustancias peligrosas.

Ingestión.

Es la vía más directa. Por lo general se considera como el medio para desarrollar las intoxicaciones crónicas involuntarias, ocasionadas por el desconocimiento de la peligrosidad del compuesto que se manipula, a la nula aplicación de normas de higiene en

30 Íbid.

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el consumo de los alimentos (no lavarse las manos antes de comer) o a hábitos peligrosos como fumar cuando se manipula el tóxico o comer al tiempo cuando se trabaja con ellos. 1.1.2 Conocimiento del producto químico. Es importante tener pleno conocimiento del nombre, propiedades, precauciones de manejo e incompatibilidades que tiene por sí misma una determinada sustancia química y de lo que sepa el laboratorista que está trabajando con ella. La primera tarea que se debe atender es la de elaborar o consultar la ficha para cada producto químico que está usando, verificar que esa información está disponible para todas las personas que tengan que trabajar con el reactivo y comprobar que todos ellos conocen cuáles son los riesgos que se corres si se manipula de una manera diferente a la considerada como segura. La información que debe contener dicha ficha es:

Nombre del reactivo. Tanto el común como el IUPAC para evitar su confusión cuando se le nombra por cualquiera de las dos formas.

Propiedades físicas. Explicar claramente su estado físico, sus constantes físicas, la facilidad de volatilización, la producción de gases explosivos, su olor característico (si es posible entrenarse en su detección a través del olfato, cuando no es muy tóxico), su comportamiento frente al fuego, cambios de temperatura, golpes y frente a otras sustancias con las que sea incompatible, la densidad de sus vapores (para poder evacuar el área ya sea arrastrándose o buscando salidas más altas), los efectos a corto y a largo plazo sobre la salud humana y su comportamiento frente al agua ya que al ser el disolvente universal por excelencia y el medio más apropiado para controlar y apagar incendios, no se puede olvidar que en algunos casos la reacción de la sustancia química con el agua puede ser explosiva (caso de metales alcalinos, cloruros de fósforo), liberar gases tóxicos (soluciones de cianuro en medio ácido) o generar calor (disolución del ácido sulfúrico concentrado) en forma violenta liberando nuevos compuestos más peligrosos o causando incendios.

Incompatibilidad. Es el comportamiento químico que se presenta cuando están juntas dos sustancias debido a que sus vapores pueden interactuar causando explosiones e incendios. Esto es muy importante cuando se van a almacenar y cuando se van a utilizar.

Toxicidad. Se debe disponer de toda la información sobre el manejo más apropiado para disminuir los riesgos contra la salud y/o el efecto que puede tener a largo plazo al estar expuesto durante cierto tiempo.

Norma de manejo. Son indicaciones para el uso de equipo de protección y de otros elementos de seguridad.

Una guía para la elaboración de la ficha del reactivo es la encuesta que aparece en la tabla 12.

Tabla 12. Encuesta para la elaboración de la ficha de seguridad para un producto químico31.

31 HANDLEY, William. Manual de seguridad industrial. Bogotá, Mc Graw Hill Latinoamericana, 1980., p 39.

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Ítem Respuesta 1. Nombre del producto químico: 2. ¿Cuál es su estado físico? 3. ¿Es:

tóxico? penetrante? crónico? tóxico por ingestión? tóxico por inhalación? tóxico por absorción?

4. ¿Cuál es: la densidad de su vapor? la presión de vapor? la temperatura de congelación? su peso específico? su miscibilidad con el agua?

5. ¿Cuál(es) es (son) sus(s) incompatibilidad(es)? 6. ¿Es inflamable o altamente inflamable?

¿Cuál es su: temperatura de vaporización? límite de explosividad? temperatura de ignición?

7. ¿Qué equipo contra incendio se debe usar? 8. ¿Qué equipo de protección personal se debe usar? 9. Otras precauciones especiales. 1.1.3 Reglas para el manejo de los reactivos químicos. Antes de enunciarlas es necesario revisar primero las condiciones del sitio de trabajo. Por lo general el sitio de trabajo coincide con el laboratorio aunque en algunos casos también puede ser una operación en la planta de producción (por ejemplo, un pelado químico). En cualquier caso, el sitio de trabajo debe tener suficiente espacio, buena iluminación y ventilación, adecuada distribución de las mesas de trabajo y salidas de emergencia. En el laboratorio conviene separar el sitio de almacenamiento de las áreas de manipulación y preparación de soluciones y demás reactivos, además de tener buena ventilación y salidas de incendio. Las instalaciones del laboratorio deben estar dotadas de infraestructura como:

Ducha de emergencia. Instalada en un sitio de fácil acceso y apertura; una palanca y una cadena que llegue al piso.

Lavaojos. Especie de lavamanos que entregan un chorro de agua potable de cierta fuerza, capaz de realizar un lavado rápido de los ojos cuando les ha caído algún reactivo.

Absorbentes. Sustancias que pueden recoger los derrames de líquidos peligrosos. Protección contra incendio. Sistemas manuales (arena, extinguidores) o

rociadores automáticos (sprinklers). Botiquín de primeros auxilios. Dotado con antídotos, además de los demás

elementos que debe contener. Los mismos reactivos deben garantizar cierta estabilidad que facilite su manejo y almacenamiento más confiable; en este sentido, los fabricantes responsables venden sus productos con etiqueta de seguridad y advertencias sobre su manejo y almacenamiento.

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Un buen hábito es el de revisar las etiquetas adheridas a los frascos y los catálogos que editan los productores de reactivos químicos al ser las primeras fuentes de información disponibles antes de manipular un reactivo químico. Existen trece reglas o normas de seguridad para el manejo seguro de los reactivos que siempre se deben tener en cuenta: Primera regla. Los reactivos pueden pertenecer a uno o a varios de los siguientes grupos:

Sustancias explosivas. Sustancias comburentes. Sustancias fácilmente inflamables. Sustancias tóxicas. Sustancias nocivas. Sustancias corrosivas. Sustancias irritantes.

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Tabla 13. Pictogramas e indicaciones de peligro en etiquetas para reactivos32.

Pictograma Indicación de peligro Clasificación Precaución

E Explosivo

Según resultados experimentales según la prescripción de declaración y control de la ley de productos químicos (R.F.A.)

Evitar choque, percusión, fricción, formación de chispas y acción del calor.

O Comburente

Según los resultados de los ensayos considerando la inflamabilidad y el peligro de explosión.

Evitar cualquier contacto con sustancias combustibles. ¡Peligro de inflamación! Los incendios pueden ser favorecidos y ser difícil su extinción.

T+ T

Muy tóxico Tóxico

Tras resultados de ensayos de toxicidad aguda oral, dérmica, e inhalación así como por indicios considerables de daños graves para la salud, posiblemente irreversibles, por absorción única, repetida o de larga duración.

Evitar cualquier contacto con el cuerpo humano ya que no se pueden descartar graves daños para la salud, posiblemente de consecuencias mortales. Se hace referencia especial a la acción cancerígena o al riesgo de alteraciones genéticas o de acción teratógena de diversas sustancias.

32MERCK. Reactivos, diagnóstica, productos químicos. 1990/91. Darmstadt, Alemania, E. Merck, p 19.

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Pictograma Indicación de peligro Clasificación Precaución

Xn Nocivo

Según resultados de ensayos de toxicidad aguda oral, dérmica e inhalación, así como por indicios considerables de posibles daños para la salud, posiblemente irreversibles, por absorción única, repetida o de larga duración.

Evitar el contacto con el cuerpo humano, también la inhalación de vapores. Pueden dañar la salud en caso de empleo no adecuado. En algunas sustancias no es posible descartar totalmente una acción cancerígena, alteración genética o teratógena. Se hace referencia a ello. Igualmente al peligro de sensibilización.

F+ Extremadamente inflamable

Líquidos con punto de inflamación inferior a 0 °C y punto de ebullición máximo 35 °C; gases, mezclas de gases (aunque estén presentes en forma licuada), que con el aire a presión normal tienen punto de encendido.

Mantener lejos de llamas abiertas, chispas y fuentes de calor.

F Fácilmente inflamable

Determinados peróxidos orgánicos, líquidos con punto de inflamación inferior a 21 °C, pero no extremadamente inflamables; sustancias sólidas que son fáciles de inflamar, de continuar quemando por sí solas o arder sin llama por la acción de una fuente de encendido; liberación de sustancias fácilmente inflamables

Mantener lejos de llamas abiertas, chispas y fuentes de calor.

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por la acción de la humedad u otras propiedades.

Pictograma Indicación de peligro Clasificación Precaución

C Corrosivo

Según intensidad de la destrucción de la piel intacta, sana durante tiempos de acción definidos.

Evitar el contacto con los ojos, la piel y la ropa mediante medidas protectoras especiales. No inhalar los vapores.

Xi Irritante

Claros daños de los ojos o irritación de la piel, que se mantienen como mínimo 245 horas posteriores al tiempo de acción o una irritación clara de las vías respiratorias. Se hace referencia especial a una posible sensibilización por contacto con la piel.

Evitar el contacto con los ojos y la piel, no inhalar los vapores.

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Algunos fabricantes han desarrollado una serie de programas que ayudan a identificar rápidamente el grupo y las medidas de seguridad para su manejo, un ejemplo lo tenemos en la tabla 13. Segunda regla. Observe y siga las señales de prevención, advertencia, prohibición y auxilio en su puesto o lugar de trabajo. Tercera regla. Tenga mucho cuidado al tratar con sustancias peligrosas ya que su manejo inadecuado puede provocar los peligros y los daños a la salud indicados en la tabla 4. Cuarta regla. Tenga en cuenta las instrucciones específicas cuando se combinan dos características anteriores (Merck lo indica a través de la frases R y las frases S). Quinta regla. Revise en la literatura todas las particularidades de las sustancias que va a emplear. Sexta regla. No olvide el peligro que representa el uso de recipientes inadecuados, dañados o con rotulación insuficiente. Séptima regla. Utilice el equipo de protección. Antes de usarlo, revíselo y si está dañado o es inadecuado cámbielo. Octava regla. Debe observar todas las instrucciones de seguridad que conozca. Novena regla. Hacerse chequeos médicos preventivos, sobre todo cuando maneja sustancias de alta peligrosidad o riesgo. Décima regla. En caso de indisposición y de heridas leves, recurra al puesto de primeros auxilios y acuda al médico aún en casos en que haya recibido tratamiento de urgencia. Undécima regla. Los menores de edad sólo podrán usar sustancias tóxicas o de riesgo de incendio o de explosión en circunstancias muy especiales y bajo la vigilancia de un experto. Duodécima regla. Bajo ciertas circunstancias habrá que cumplir la prohibición de manejo de sustancias venenosas, cáusticas, nocivas para la salud o irritantes como son los casos con menores de edad, mujeres en embarazo y madres en lactancia. Décima tercera regla. Si en un preparado se suponen propiedades peligrosas y no se tienen datos toxicológicos, la sustancia se debe manejar con las mismas precauciones recomendadas para los productos químicos peligrosos. No olvide que existe un grupo de sustancias que tienen la capacidad de producir tumores malignos en el hombre y en los animales de experimentación (sustancias cancerígenas). Tales compuestos se encuentran en la tabla 14. Cuando sea necesario manipular esas sustancias lo más recomendable es extremar las medidas de seguridad en su manejo y utilizar el equipo de protección.

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A manera de resumen y para facilitar la memorización de las normas de seguridad a tener en cuenta en el manejo de un reactivo químico, se han definido siete reglas básicas que son:

i. Conocer previamente el tipo de sustancias que se va a utilizar. ii. Llevar siempre gafas protectoras y si es posible, guantes. iii. Realizar todos los trabajos en campana de extracción de gases que tenga buena

succión, con careta respiratoria o en locales bien ventilados. iv. Evitar el contacto de los reactivos con la piel, ojos y mucosas. Lavar inmediatamente,

en forma abundante, con agua fría cualquier salpicadura. v. Lavar los ojos con abundante agua si les ha caído sustancias cáusticas, desplazando

ampliamente los párpados, mover el ojo en todas las direcciones. Visitar inmediatamente al oftalmólogo para su tratamiento.

vi. Quitarse toda la indumentaria que esté impregnada o lavada con sustancias cáusticas o corrosivas y lavar si alcanzó la piel.

vii. En caso de accidente o de encontrarse mal, buscar atención médica.

Tabla 14. Listado de sustancias cancerígenas33.

Sustancia Sustancia Sustancia Solución de ácido arsénico. Cobalto (II) hidroxicarbonato. Hidracinio monobromuro. Ácido hexametilfosfórico triamina.

Cobalto (II, III) óxido. Hidracinio sulfato.

Acrilamida. Criseno. 4 – metil – 1,3 – fenilendiamina.Acrilonitrilo. 1,2 – dibromometano. 4 – metoxi – 1,3 –

fenilendiamina. Antimonio (III) óxido. 1,4 – dicloro – 2 – buteno. Níquel en polvo. Arsénico (III) óxido. Dietilo sulfato. Níquel peróxido. Auramina. 3,3’ – dimetilbencina. Níquel tetracarbonilo. Benceno N,N – dimetilcarbamoílo

cloruro. Níquel (III) hidroxicarbonato.

Benzo (a) pireno N,N – dimetilhidracina. 2 – nitropropano. Berilio. N,N – dimetilhidracinio

dicloruro. N – nitrosodietilamina.

1,3 – butadieno. Dimetil sulfato. 1,2 – propileno óxido. Cadmio cloruro. N,N – dimetilsulfamoilo cloruro. (R) – (+) – 1,2 – propileno

óxido. Cloroetileno (cloruro de vinilo) 2,4 – dinitrotolueno. (S) – (-) – 1,2 – propileno óxido.4 – clorometilanilina. 2,6 – dinitrotolueno. Di – sodio hidrogenoarsenato. Cobalto óxido. 3,4 – dinitrotolueno. Sodio metaarsenito. Cobalto polvo. Epiclorhidrina. o – toluidina. Cobalto (II) acetilacetonato. Etileno óxido. Cobalto (III) acetilacetonato. Hidracinio dicloruro. Cobalto (II) fluoruro Hidracinio hidróxido.

Yodometano

1.1.4 Indumentaria de protección. Para una mejor protección de la persona que manipula sustancias químicas es recomendable que lleve puestos los siguientes elementos de protección:

33 Ibíd., p. 16.

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Vestimenta fácil de quitar. Debe ser una blusa amplia, que abotone y desabotone fácil. Es importante que siempre esté cerrada para mayor protección del traje de calle; recuerde que si le cae una sustancia corrosiva en la ropa se la tiene que quitar y con toda seguridad la va a perder.

Máscara contra gases y vapores. Este elemento de protección dispone de filtros que retienen los vapores peligrosos (tóxicos, sofocantes o adormilantes), para su seguridad se debe determinar el tipo de filtro dependiendo del uso y remplazarlo una vez se haya saturado.

Gafas de seguridad. Es un elemento de uso obligatorio en toda manipulación de reactivos químicos.

Guantes. Es importante conocer las propiedades del material en que están fabricados seleccionando el más adecuado para manejar una determinada sustancia química ya que no debe ser atacado por ella. La tabla 15 resume el comportamiento de los distintos materiales de fabricación de los guantes ante sustancias químicas comunes.

2. Almacenamiento de los reactivos. Se ha mencionado que entre las sustancias químicas existen incompatibilidades que originan riesgos ya que provienen de sus propiedades químicas, al estar juntas pueden reaccionar espontáneamente en forma explosiva o liberando gases tóxicos. Esto quiere decir que al almacenarlos y utilizarlos se debe tener en cuenta su comportamiento químico y las condiciones ambientales en que se deben manipular como:

Aire. Algunos productos secundarios producidos por oxidación con éste pueden ser peligrosos, por ejemplo, la formación de peróxidos en el éter por exposición prolongada al aire.

La humedad ambiental. Su exceso en el sitio de almacenamiento hace que algunos reactivos se descomponga violentamente, por ejemplo, los alcoholatos de metales alcalinos y los hidruros.

El calor. Puede alterar la calidad o desencadenar reacciones explosivas; se deben almacenar en refrigeración, por ejemplo, las enzimas y los éteres.

Si en el sitio de trabajo necesariamente se tiene que almacenar reactivos químicos, lo primero que hay que pensar es en un sitio especial ojalá un cuarto separado, bien ventilado e iluminado, con salida de emergencia en caso de incendio. Los anaqueles deben ser de un material resistente y separados por grupos de sustancias según su origen: inorgánicos e inorgánicos, ordenados como lo vemos en la figura 5. Los éteres volátiles, hidrocarburos y afines se almacenan en un refrigerador a prueba de explosiones.

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Tabla 15. Comportamiento de los materiales de los guantes para la manipulación de reactivos químicos34.

Sustancia Caucho natural Neopreno Nitrilo PVC

NOR PVC alto

grado Ácidos orgánicos. E E E E E Fenoles. E E B E E Ácido crómico (50 %) B R R E B Ácido clorhídrico. B B B E B Ácido fluorhídrico. B B B E B Perhidrol. B B B E E Ácido nítrico. NR NR NR B R Ácido perclórico. R B R E B Ácido fosfórico. B B B E B Ácido sulfúrico (50 %) B B B E B Amoniaco y sales. E E E E E Calcio hipoclorito. NR B B E E Mercurio cloruro. B B B E E Sodio hipoclorito. NR R R E E Sales de cobre. B B B E E Sales de hierro, magnesio, potasio. E E E E E Calcio hidróxido. E E E E E Potasio hidróxido. E B B E E Sodio hidróxido. E B B E E Parafinas. R B E B E Bencina de petróleo. R B E R B Benceno, tolueno, xileno. NR R B R B Nafta de petróleo. NR R R R B Cloruro de bencilo. R R B R B Carbono tetracloruro, cloroformo, diclorometano, percloroetileno, tricloroetileno.

R R B R B

Acetato de etilo, butilo, amilo, etc. R B B R B Propionatos, butiratos. R B B R B Éteres. R B E R B Formaldehído, acetaldehído. B E E E E Benzaldehído. R R E B R Acetona, dietilcetona. B B B R B Alcoholes. E E E E E Aminas. B B E E E 34 VELANDIA. C. Fabio. Seguridad en el laboratorio. Informaciones químicas Merck (Bogotá). (44), 3 (1985). Las convenciones son: E = Excelente, B = Bueno, NR = No Recomendado, R = Regular.

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Figura 5. Organización de estantes para el almacenamiento de reactivos.

Sustancias inorgánicas Sustancias orgánicas 1. Azufre. 40. Alcoholes. 2. Fósforo. 41. Glicoles. 3. Arsénico. 42. Amidas. 4. Pentóxido de fósforo. 43. Imidas. 5. Haluros. 44. Iminas. 6. Sulfatos. 45. Aminas. 7. Tiosulfatos. 46. Hidrocarburos. 8. Fosfatos. 47. Ésteres. 9. Halógenos. 48. Aldehídos. 10. Amidas. 49. Éteres. 11. Nitratos (excepto el de amonio). 50. Cetonas. 12. Ácidos. 51. Hidrocarburos halogenados. 13. Ácido nítrico. 52. Óxido de etileno. 14. Metales. 53. Compuestos etoxidados. 15. Hidruros (mantenerlos lejos del agua). 54. Sulfuros. 16. Cianuros. 55. Polisulfurados. 17. Cianatos. 56. Sulfóxidos. 18. Ácido cianhídrico. 57. Nitrilos. 19. Hidróxidos. 58. Fenoles. 20. Óxidos. 59. Peróxidos. 21. Silicatos. 60. Hidroperóxidos. 22. Carbonatos. 61. Ácidos orgánicos. 23. Carbón activado. 62. Ácidos orgánicos. 24. Sulfatos. 63. Anhídridos. 25. Seleniuros. 64. Perácidos (mantenerlos lejos de los demás

reactivos).

SUSTANCIAS INORGÁNICAS

1

6 7

2 3 4

8 9

10 11 12 13

14

16

5

15

17 18

19 20 21 22 23

24

SUSTANCIAS ORGÁNICAS

46 47 48

49 50 51 52

53

54 55 56 57

40 41 42 43 44 45

58

59 60 61

62 63 64

25 26 27 28

29 30 31 32

33 34

39

38 37 36 35

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26. Fosfuros. 27. Carburos. 28. Nitruros (a nivel del ojo humano y lejos del agua). 29. Boratos. 30. Cromatos. 31. Manganatos. 32. Permanganatos. 33. Cloratos. 34. Percloratos. 35. Ácido perclórico. 36. Cloritos. 37. Hipocloritos. 38. Peróxidos. 39. Ácidos inorgánicos.

Los éteres volátiles, los hidrocarburos y afines se deben almacenar bajo refrigeración y a prueba de explosiones.

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GUÍA PARA LA PRESENTACIÓN DE INFORMES DE LABORATORIO35

Si toda actividad humana se puede organizar en una secuencia permitiendo la obtención de un determinado producto, la ciencia es la actividad del hombre que produce conocimiento a través de un proceso secuencial – el método científico – y la forma de comunicar sus logros es a través de la publicación en medios especializados. El profesional que se dedique a la investigación aplicada (tecnólogo o ingeniero), debe conocer la metodología para estructurar y elaborar un artículo para su publicación en una revista; el estudiante necesita formarse también y para ello utiliza la experimentación que adelanta en sus sesiones prácticas de laboratorio. Si bien es cierto que allí lo que se pretende es comprobar algunos principios teóricos y aprender el manejo de equipo de laboratorio (balanza, centrífuga, pH – metro, mufla, estufa) y material (vasos de precipitados, erlenmeyer, soporte universal, buretas, probetas, pipetas y otros), también es una oportunidad intelectual ya que favorece el intento de hallar una explicación (lógica y coherente) del fenómeno observado, de encontrar nuevas relaciones entre hechos que aparentemente pueden no tener ningún vínculo y de construir su propio modelo teórico. El informe de laboratorio debe ser elaborado como si se fuera a publicar; debe ser claro, sencillo, con suficiente profundidad (garantía de que no es una burda copia), reflejo de la seriedad profesional de su autor, completo y de fácil interpretación para quien lo lea. En esta guía se pretende dar algunos criterios para la elaboración de los informes que deben ser entregados como parte de la evaluación de las sesiones prácticas para el curso de Química Analítica Instrumental y que servirán de base para la asignación de la calificación correspondiente, llegando a un acuerdo en este delicado punto (el más cuestionado dentro del proceso educativo) y le sirva como referente para aceptar su nota final. El objetivo del curso no es formar investigadores ni analistas de laboratorio, su importancia es darle la oportunidad de conocer y practicar la metodología de elaboración de un informe científico. La manera más sencilla de hacerlo es seguir el procedimiento universal para elaborar un informe proveniente de un trabajo experimental. 1. Estructura del Informe La preparación del informe de laboratorio tiene dos partes, el preinforme y el informe propiamente dicho. El pre – informe es un documento que permite la preparación del laboratorio por parte del practicante. Bien elaborado, ayuda a quien realizará la práctica a comprenderla, organizarse y disponerse mentalmente a las distintas actividades que deberá realizar para su desempeño.

35 UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA. Apuntes para la elaboración de tesis. Bogotá, mimeo, s.f., 73 p. RAMETTE, Richard. Equilibrio y análisis químico. Fondo Educativo Interamericano. México, 1983., p. 9. UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA. Indicaciones generales sobre el funcionamiento del laboratorio de Fisicoquímica. Facultad de Ciencias, Sección de Fisicoquímica. Bogotá, mimeo, 1975. 5 p. MAHECHA, Gabriela. Presentación de informes de laboratorio. Universidad Nacional de Colombia, Facultad de Ciencias. Bogotá, mimeo. 1981, 4 p.

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Se elabora en un cuaderno de cien hojas, dejando como mínimo diez hojas por cada práctica. Comienza revisando y adecuando la guía de laboratorio que aparece en el material del curso académico a las indicaciones de esta guía. La guía de laboratorio le orienta en el desarrollo de su trabajo experimental, le ayuda a organizar su cuaderno de notas para la toma de apuntes, registro de datos y de aquellos detalles que aparentemente pueden ser insignificantes pero que suelen ser la clave para resolver inquietudes durante el trabajo con los datos alcanzando los resultados esperados. Debe presentarlo a su tutor antes de iniciar la práctica. El pre – informe debe contener las siguientes partes: 1.1 Título de la práctica Se copia el que aparece en la guía. Si no lo tiene, se elabora teniendo en cuenta que sea exacto, breve y claro (máximo 15 palabras); no debe ser tan extenso que resulte un compendio del artículo ni tan breve que no diga nada; lo importante es que debe dar por sí mismo suficiente información sobre el contenido del informe. Es recomendable que en el título no aparezcan fórmulas, particularmente las químicas. 1.2 Objetivos de la práctica Comprende la información o los resultados que se esperan obtener de la sesión de laboratorio. Generalmente las guías suelen traerlos ya formulados, sin embargo, pueden ser reformulados cuando no corresponden a la práctica que se va a realizar o cuando el procedimiento expuesto en la guía se va a adaptar al análisis de una materia prima distinta a la que trae descrita. Cuando tenga que elaborar un objetivo se recomienda iniciar con un verbo en infinitivo, luego describir lo que se desea obtener y las condiciones para hacerlo. Por ejemplo: determinar la concentración de calcio, como óxido de calcio, en partes por millón, presente en una muestra de harina de maíz utilizando una valoración por permanganometría. Esta descripción permite establecer lo que se busca en el análisis de un producto, con el fin de interpretar resultados, discutir la bondad del método o decidir sobre la calidad del ensayo y de la muestra. Para que practique y hagan el ejercicio correspondiente, en ninguna de las guías de laboratorio de este curso aparecerán formulados los objetivos. Sin embargo, en el preinforme si debe escribir los objetivos correspondientes, siguiendo estas directrices. 1.3 Teoría Es la base de sustentación del trabajo experimental, le permite verificar la obtención de un resultado, por eso es importante aclarar cuáles son las teorías y las hipótesis adicionales con las cuales va a trabajar. Es deseable adquirir el hábito de seleccionar las fuentes de información disponibles (libros y revistas, direcciones URL en la web), en fin, todo aquello que le va a servir dependiendo del objetivo que haya formulado previamente y del método seleccionado para lograr los resultados deseados. Esto implica que en un trabajo mucho más estricto haga lo que se denomina una revisión bibliográfica o de literatura la cual consiste en la búsqueda y revisión de fuentes de información que permitan dar respuesta a interrogantes como:

¿Cuál es el problema planteado? ¿Por qué es importante solucionar el problema planteado? ¿Cuáles son los objetivos que se formularon para resolver el problema planteado? ¿Cuáles son los métodos aplicados y en qué forma se contribuyó a la solución del problema?

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Esta revisión no debe ser excesivamente larga, los comentarios (abstracts) de cada fuente bibliográfica deben ajustarse a la realidad para asegurar su interpretación precisa y dar crédito a los respectivos autores. La teoría que encuentra en el informe le permite disponer de los criterios para la discusión de los resultados, su comparación con los obtenidos por otros investigadores y le da una base más sólida al trabajo ya que se puede establecer el aporte realizado según el estado actual de las investigaciones, las tendencias, los problemas no resueltos y los métodos de trabajo utilizados. Como el laboratorio de Química Analítica Instrumental tiene como intención la comprobación de los principios teóricos contenidos en el módulo (susceptibles de ser ampliados mediante la consulta de la bibliografía disponible, de personas que trabajan en el área y otras fuentes) y el conocimiento y entrenamiento en algunas técnicas analíticas para el Control de Calidad, no es necesario adelantar una revisión bibliográfica muy extensa e intensa, sino más bien utilizarla para desarrollar la capacidad de síntesis, teniendo en mente los fundamentos teóricos y metodológicos que sustentan la práctica. Por lo tanto, para la calificación se tendrá en cuenta la aparición de los siguientes apartes: 1.3.1 Sumario de principios teóricos Es un resumen muy concreto sobre los aspectos teóricos que respaldan un procedimiento, por ejemplo en la práctica de valoración de la acidez uno de los principios es: el equilibrio iónico del agua determina el concepto de pH. 1.3.2 Reacciones En este aparte se escriben las ecuaciones químicas que ocurren durante la aplicación del método de análisis y permite identificar la forma en que se encuentra la especie química de interés, cómo es modificada por el método y la forma como es cuantificada y reportada después. Por ejemplo, en el caso de la determinación gravimétrica del hierro, las reacciones implicadas son: Precipitación:

FeCl3 + 3 NH4OH → Fe(OH)3 ↓ + 3 NH4Cl Control de cloruros:

NH4Cl + AgNO3 → AgCl ↓ + NH4NO3 Calcinación: 700 ºC

2 Fe(OH)3 → Fe2O3 + 3 H2O Como se puede deducir, es conveniente identificar qué cambio químico ocurre en cada paso en donde se agregan reactivos, además de tener presente que las ecuaciones deben estar correctamente balanceadas pues la mayoría de las veces, los cálculos y resultados se basan en ellas. 1.3.3 Condiciones Es el resumen, compendio o listado de los principales factores que condicionan a una reacción química para que ocurra, como son: medio (acuoso u orgánico), pH (ácido, básico o neutro), temperatura, agitación, reposo, influencia de la luz, presión atmosférica, acción del papel de filtro, etc. Estas se encuentran descritas en el procedimiento que trae la guía; su lectura cuidadosa permite elaborar ese listado, el cual le permite determinar posibles errores que impidan obtener el resultado esperado. Por ejemplo, en la determinación gravimétrica del hierro, una de las recomendaciones es: asegurar que todo el hierro de la muestra debe estar como Hierro (III).

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1.3.4 Fórmulas de cálculo Son expresiones matemáticas que permiten realizar los cálculos necesarios con los datos a fin de obtener los resultados. Se deducen a partir de las ecuaciones químicas generales del método y la unidad en que se exprese el resultado (porcentaje, p.p.m., M, N, m, mg); esto implica que se debe realizar un análisis dimensional para que el resultado obtenido con la fórmula se exprese en las unidades indicadas. Por ejemplo, para determinar la normalidad de una solución de hidróxido de sodio contra biftalato de potasio (patrón primario), la fórmula que se utiliza es:

N = g/mL(e) Donde: N = Normalidad del hidróxido de sodio. g = Masa de biftalato de potasio (en mg). mL = Volumen del hidróxido de sodio utilizado para virar el indicador. e = peso miliequivalente del biftalato de potasio. Si realizamos el análisis dimensional las unidades nos quedan: 1.4 Procedimiento En esta parte se da una descripción del procedimiento empleado y, cuando es necesario, la ilustración de los materiales y elementos utilizados, esto favorece el que un lector razonablemente inteligente y familiarizado con el campo de trabajo se forme una idea del equipo en sus elementos esenciales (es muy útil cuando es nuevo; si es ampliamente conocido basta con dar las especificaciones o la marca). Para la sesión de laboratorio esta parte le facilita mucho su trabajo al determinar la secuencia de cada paso, economizar el tiempo ya que permite saber cuántas y cuáles operaciones puede hacer a la vez (secar la muestra, titular la acidez de otra o medir el color de una secuencia de tubos con patrones), seleccionar el reactivo requerido o emplear el equipo más adecuado que le permita controlar la reacción química y evitar errores pues éstos obligan a repetir todo el ensayo con la subsiguiente pérdida de tiempo y reactivos (¿podría calcular cuánto le costaría en pesos un error de este tipo?) En su pre – informe deben aparecer los siguientes apartes: 1.4.1 Materiales y equipos Es un listado de los materiales de vidrio, metal o porcelana, de reactivos y los equipos que va a utilizar en la práctica. Se elabora leyendo cuidadosamente la guía. 1.4.2 Operaciones de laboratorio Son los procedimientos más o menos estandarizados que permiten obtener un producto o un dato. Su mención en el informe implica un procedimiento o una metodología. Por ejemplo, si se indica pesar una muestra, representa disponer de una muestra del alimento, pesar un vidrio de reloj o una pesa sustancia seca y limpia, agregar la porción de muestra y volver a pesar para registrar cuánta masa se ha tomado para realizar el ensayo. En el laboratorio se suelen realizar las operaciones que se indican en la tabla 16.

Meq

mL mg meq

mg =N =

mL

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1.4.3 Diagrama de flujo Es la representación secuencial de los principales pasos que se siguen dentro de un procedimiento. En el cuadro que representa el paso, debe describirse en forma concreta (un poco parecido al estilo telegrama) cómo se realiza, cuáles son las condiciones que se deben tener en cuenta. Es recomendable indicar el paso sin explicarlo, es decir, si en la guía se describe: pesar 0,5000 g de muestra sobre un vidrio de reloj usando la balanza analítica, el cuadro del diagrama debe describir:

Tabla 16. Tipos de operaciones de laboratorio.

Reducción del tamaño de sólidos Tratamiento térmico de sólidos

• Molienda. • Trituración. • Pulverización. • Tamizado.

• Ignición. • Fusión. • Calcinación. • Deflagración. • Reducción. • Sublimación.

Disolución, extracción y desecación Vaporización • Solución. • Maceración. • Cocimiento. • Infusión. • Digestión. • Emulsión. • Desecación.

• Evaporación. • Destilación.

Determinación de masa Precipitación y separación

• Pesado. • Peso específico.

• Precipitación. • Clarificación. • Centrifugación. • Decantación. • Filtración. • Lixiviación. • Cristalización. • Granulación. • Diálisis.

Operaciones cuantitativas • Titulación. • Gravimetría.

Por la forma como está escrita la cantidad de muestra que se debe pesar (con la proximidad a 0,0001 g o de cuatro cifras decimales) ya se sabe que se debe utilizar la balanza analítica utilizando un vidrio de reloj. Una vez elaborado el diagrama, más fácil de consultar que la guía de laboratorio, se tiene una visión general de lo que se va a hacer y se pueden programar operaciones simultáneas que ahorrarán tiempo, que se puede

Pesar 0,5000 g de muestra

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utilizar para pesar, hacer las anotaciones correspondientes en su cuaderno de laboratorio y utilizar formas de controlar errores durante el trabajo experimental. Con la preparación de estos apartes se termina el pre – informe; el estudiante está ya enterado de lo que debe realizar en la sesión experimental, será muy productiva pues dispone de un conjunto de criterios que le facilitarán su trabajo, el registro de los datos (números, magnitudes que se identifican con las abreviaturas del Sistema Internacional de Medidas, cantidades de cifras significativas), las anotaciones de las observaciones más importantes y hechos significativos durante el desarrollo de la práctica que luego tendrá en cuenta en la interpretación y análisis de los resultados. 1.5 Datos experimentales Esta sección se elabora durante el trabajo experimental utilizando el cuaderno de notas de laboratorio, escribiendo cuidadosamente los datos de las medidas efectuadas y las observaciones que considere necesarias. La presentación debe hacerse en orden lógico, de acuerdo al procedimiento, agrupando convenientemente los diversos resultados y con una breve identificación que facilite su comprensión. La forma más recomendable es utilizando tablas numeradas, en arábigos, siguiendo el orden consecutivo de aparición y respondiendo a preguntas como: ¿qué?, ¿dónde?, y ¿cuándo? Por ejemplo, en la determinación de la acidez de un producto alimenticio, la tabla de datos puede ser:

Tabla 17. Determinación de la acidez en pulpa de manzana.

Experimento número Determinación 1 2 Repetición Masa de la muestra 15,2897 g 15,3010 g 15,2985 gMasa del vidrio de reloj 15,0000 g 15,0010 gVolumen de dilución 250 mL 250 mLAlícuota tomada 25,0 mL 25,0 mLNormalidad del NaOH 0,095 N 0,095 NVolumen de NaOH gastado 15,9 mL 16,1 mL Esta presentación economiza explicaciones en el texto, su título resume los hechos más importantes y evita aclarar cada uno de los datos experimentales. Las anotaciones adicionales deben ser escritas identificándolas previamente y pueden constituir en observaciones adicionales que no están dadas en la teoría, modificaciones al procedimiento o a la aclaración de un resultado reportado en la literatura y que al ser comprobado resultó diferente. Las siguientes recomendaciones se deben tener en cuenta para lograr una adecuada presentación de los datos:

Deben ser presentados en forma objetiva, exacta, lógica y clara. Los datos y observaciones expuestos deber ser única y exclusivamente los logrados por la persona o

el grupo de trabajo no importa que parezcan contradictorios. Desarrollar la capacidad de observación, lo cual implica estar muy atento a todos los fenómenos que

se suceden y de ellos, deducir lo importante. Detalles insignificantes pueden ser la clave para resolver dudas o lograr resultados satisfactorios.

Es importante ser honrado científicamente hablando, esto quiere decir que se debe estar libre de prejuicios durante la toma de los datos; es indispensable la sinceridad en el registro, estar seguros de los que se obtienen así se demuestran errados al final, ya que es permitida y necesaria la explicación sustentada de las razones y causas que están motivando dichas diferencias y que no necesariamente son errores fortuitos.

Como es muy posible cometer errores durante el registro de los datos lo aconsejable es no tachar totalmente el dato para que desaparezca bajo una capa de tinta sino cruzarlo con una línea delgada y al frente escribir el verdadero, esto favorece la no desaparición de algo que después puede ser considerado como cierto.

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1.6 Cálculos En un artículo científico no aparece esta parte; en los informes de laboratorio se exigen para conocer el procedimiento del razonamiento seguido por el estudiante con el fin de verificar su dominio de los conceptos teóricos y si conoce con suficiencia lo realizado durante la sesión experimental. En esta sección se solicita ejemplificar el procedimiento utilizando los datos propios. Es conveniente efectuar el análisis dimensional con cada una de las fórmulas utilizadas en el tratamiento de los datos para que el resultado obtenido esté expresado con las magnitudes requeridas (porcentaje, masa, volumen, concentración expresada en normalidad, molaridad, molalidad, partes por millón, etc.) 1.7 Resultados Son el recuento completo y detallado de los hechos obtenidos (valores y observaciones) en el proceso de investigación, los cuales van a conformar la base para su posterior interpretación, análisis y derivación de conclusiones y recomendaciones. Su presentación debe ser sencilla y fácil de comprender por el lector, usando tablas, figuras o postulados. Los resultados numéricos deben reportarse dentro de los límites de exactitud permitidos por la técnica utilizada y con el número de cifras significativas apropiado. Es importante ser objetivos y seguir las recomendaciones expuestas en la sección 1.5. Si para la expresión de los resultados se necesitan gráficas como ayudas visuales para facilitar la comprensión y armonizar las explicaciones del texto, se deben denominar como figuras, numerarlas en forma secuencial y escribirles un título pequeño como se estableció para las tablas. 1.8 Análisis de resultados Esta sección es la más importante del reporte del trabajo experimental ya que el autor realiza un examen crítico de sus resultados, verificando el cumplimiento de los objetivos planteados, su correlación con los principios teóricos utilizados e interpreta su significado y alcance. Lo importante es comprender que sin una interpretación apropiada y completa de los resultados obtenidos en un análisis químico no valdría la pena recogerlos y sería una pérdida de tiempo y dinero valiosos. Al plantear un proyecto de análisis químico, se debe responder la pregunta ¿se puede suponer que estos análisis darán los resultados que contribuirán a resolver el problema planteado? Dependiendo de la forma en que se evalúen los datos, se podrá dar respuesta a ese interrogante. A continuación se ofrece una estructura adecuada para lograr una buena interpretación y evaluación del trabajo analítico. Está en discusión por otros autores pero si se sigue paso a paso, ofrece la seguridad razonable del lenguaje científico y permite conocer los aciertos y errores a fin de que puedan ser corregidos, mejorando la capacidad crítica y enfrentando con éxito el reto de mantener la calidad en la industria de alimentos. El análisis de resultados busca:

Establecer relaciones entre causas y efectos (contrasta teoría con los hechos observados) Deducir principios básicos y efectuar generalizaciones sobre lo que se ha comprobado. Aclarar las concepciones, modificaciones o contradicciones entre las hipótesis, la teoría y los

principios básicos con los hechos observados. Señalar las aplicaciones prácticas y teóricas de los resultados obtenidos, dentro de las limitaciones

impuestas o encontradas. Servir de base para deducir las conclusiones.

Los datos buenos y malos se deben estudiar con la misma profundidad, juntos aportan para la mejor comprensión del problema que se intenta resolver; lo importante es tener en cuenta que cualquier discrepancia o desviación significativa que se presente entre los resultados y afecte las conclusiones con respecto al

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objetivo propuesto en el trabajo exige una breve discusión y una explicación razonable que aseguren la verdad sobre lo que se busca. En la interpretación de los resultados analíticos se busca resolver dudas sobre dos aspectos: El primero tiene que ver con la confiabilidad de las medidas o sea, la determinación de errores en cada una de las etapas del análisis: ¿cómo se realizó el muestreo?, ¿la muestra es realmente representativa?, ¿la muestra es homogénea?, ¿se utilizó la forma más adecuada de tomar la muestra?, ¿se siguió el procedimiento recomendado?, ¿cuáles fueron los cambios que se hicieron?, ¿qué finalidad tenía cada cambio y cómo podría afectar la obtención del resultado?, ¿cuál es su respaldo teórico?, ¿qué instrumentos utilizó para efectuar las mediciones?, ¿cuál es su precisión?, ¿con cuántas cifras el instrumento permite precisar las mediciones?, ¿cómo se puede medir la precisión y la exactitud del método?, ¿cuáles son los datos que pudo encontrar en otras publicaciones sobre el problema analizado?, ¿cuáles son los errores sistemáticos?, ¿cuáles son aleatorios?, ¿cuáles datos se rechazaron y por qué?, ¿qué criterios utilizó para desechar esos datos?, ¿qué cuidados se tuvieron en cuenta durante la realización del trabajo experimental? En esta parte trata de saber qué tan bien ha realizado su experiencia y que tan buenos son los resultados obtenidos. En segundo lugar se determina cómo los datos obtenidos ayudan a resolver el problema, es decir, los resultados ¿permiten lograr los objetivos?, ¿qué aspectos dados en la teoría se comprobaron en la parte experimental?, ¿las anotaciones realizadas concuerdan con lo predicho en la teoría, son contrarias o la complementa?, ¿cómo se explicarían esas discrepancias?, ¿se pueden aplicar a otros casos?, ¿qué limitaciones tendrían esas aplicaciones?, ¿cómo se relacionan los resultados obtenidos con los criterios de calidad establecidos para ese producto?, ¿qué se puede decir de la calidad de la muestra?, ¿por qué razones son diferentes?, ¿qué sugeriría para mejorar los factores de calidad deficientes? La discusión se podría estructurar así:

1. Explicación de resultados.

Interpretar los resultados significativos. Discutir las discrepancias más importantes. Determinar los niveles de exactitud y precisión de los resultados obtenidos (se puede emplear la

estadística).

2. Correlación, comparación e interpretación.

Coherencia de los resultados entre sí. Puntos discrepantes que merezcan destacarse ya que aclaran o contradicen la teoría. Posibilidades de aplicación y sus limitaciones. Comparación con datos reportados en otras publicaciones científicas y con la teoría existente.

1.9 Conclusiones Este aparte reúne el aporte del trabajo de investigación al conocimiento realiza su trabajo de investigación y da criterios para tomar una decisión frente a un problema por resolver. Aquí se enumeran y puntualizan las conclusiones que se fueron insinuando en la interpretación y análisis de resultados puesto que con dicho ejercicio se obtiene una idea sobre lo bueno o malo bueno o malo que resultó el trabajo realizado. Lo importante es que deben basarse solamente en hechos comprobados en el trabajo realizado en orden lógico; no debe ser copia de deducciones reportadas en los libros ya que ellas son parte de la teoría. 1.10 Bibliografía Esta parte es importante porque:

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Las citas le indican al lector donde encontrar más información sobre el tema. Evita la sospecha del plagio. Revela cortesía profesional para con los otros autores que trabajaron en el tema. Es garantía de seriedad y da respetabilidad al trabajo pues señala qué tanto se ha consultado y

estudiado sobre el tema. Si no aparecen se formulan inquietudes como: ¿El autor pretende dar la impresión de todo lo que

dice es original y nuevo?, ¿será que el autor desconoce la literatura o las normas sobre bibliografía? 2. Algunas normas para la redacción del informe

Un pensamiento debidamente elaborado, abre la puerta a una expresión

también debidamente elaborada. Al ser el medio escrito una forma de comunicación dentro del ambiente científico, es necesario que el estudiante desarrolle sus capacidades en la redacción del mismo. El informe de laboratorio no es una carga adicional al trabajo experimental, es una comprobación del dominio en el tema, del conocimiento sobre el desarrollo del trabajo y de la capacidad selectiva y organizativa que ha venido adquiriendo en su trabajo de aprender. Tampoco se debe olvidar que se está escribiendo una obra literaria por lo cual es necesario cuidar la claridad, precisión y concisión, respetando las normas de escritura del idioma español. Se debe buscar que el escrito tenga mérito científico y literario simultáneamente teniendo en cuenta que lo que se pretende escribir debe ser un reporte objetivo hecho con criterio científico sobre una serie de mediciones y observaciones. Para facilitar esa redacción se sugiere tener en cuenta las siguientes recomendaciones:

a) Sin olvidar los objetivos previstos, escribir las principales ideas en la forma en que vayan apareciendo y dejar espacios en blanco para concretar aspectos, reforzar ideas o ampliar información.

b) Escribir siempre en tercera persona, eliminando los pronombres personales cuando se quieran los propios aportes.

c) Verificar permanentemente los tiempos de los verbos; como se trata del reporte de un trabajo ya realizado, éstos deben estar en tiempo pasado.

d) En las descripciones se debe escudriñar y detallar la estructura misma de los hechos y objetivos para dejarlos en forma clara y precisa, eliminando lo vano y metafórico, haciendo uso adecuado de las palabras y evitando el exceso de las mismas dentro de un mismo párrafo empleando los sinónimos adecuados.

e) La claridad que se tenga sobre el material que escribe permite la correcta comprensión e interpretación del mensaje por parte del lector. Un escrito ininteligible indica un pensamiento confuso e imperfecto y con profundos vacíos conceptuales por parte de quien lo escribe.

f) Al escribir tenga en cuenta al lector, no crea que él lo sabe todo o es un neófito en el tema; déle los elementos necesarios para que lo pueda comprender e interpretar, para que le entiendan el escrito. Seleccione adecuadamente el material y sea equilibrado en el empleo del lenguaje técnico; el mensaje debe ser completo y coherente en cada una de las partes y entre ellas.

g) Organizar el material en forma sistemática, secuencial manteniendo coherencia interna (relaciones entre frases, entre párrafos y entre los de análisis y los que contienen las conclusiones). Permita al lector que le siga mentalmente en la forma como se obtuvieron los resultados (cuáles fueron los supuestos teóricos usados, qué métodos empleó para su comprobación, qué resultados obtuvo, cómo los evaluó, cómo resolvió el problema, cómo se pueden aplicar a otros problemas semejantes).

3. Normas de seguridad La observación de las siguientes reglas de trabajo en el laboratorio puede obtener resultados en forma segura y a un costo relativamente económico (sin romper material, dañar equipos o ir al hospital).

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1) La presencia del estudiante es obligatoria durante todo el tiempo asignado a la sesión de laboratorio. 2) Para el trabajo experimental el estudiante debe tener una blusa de laboratorio que le proteja los

vestidos, gafas plásticas para protección de los ojos, un paño para la limpieza, detergente, churrusco, un pincel, jabón de tocador, toallas para cocina. Un encendedor o una caja de cerillas.

3) Se debe disponer de un cuaderno para toma de notas de laboratorio donde debe estar consignado el pre – informe de laboratorio como se indicó anteriormente, bolígrafo, regla y cinta de enmascarar.

4) Durante la sesión práctica no debe estar realizando otras actividades que le distraigan del trabajo y pueden ser peligrosas como fumar, comer, escuchar radio, jugar o recibir visitas (si es urgente atender a alguien, hágalo fuera del laboratorio).

5) No deben estar en el laboratorio personas ajenas a la experiencia, ni niños. 6) Mantener el sitio de trabajo ordenado, limpio y completamente seco. 7) Los reactivos sólidos, los papeles y los restos de cerillas ya utilizados deben depositarse en la caneca

de la basura; nunca en el desagüe ni en el piso. 8) Los reactivos líquidos deben ser regados en el desagüe y diluidos con abundante agua, especialmente

si son ácidos o solventes orgánicos que pueden disolver las conducciones plásticas de PVC, aunque es mejor desecharlos en botellones dispuestos especialmente para este fin y marcados apropiadamente.

9) Antes de usar un reactivo, asegurarse de que es el requerido, evitándose equivocaciones peligrosas o mortales.

10) Utilizar la cantidad de reactivo necesaria. Si es sólido emplear una espátula limpia y seca. Si es líquido, depositar una pequeña cantidad dentro de un vaso de precipitados y tomar el volumen necesario utilizando una probeta o una pipeta limpia y enjuagada con el reactivo, o medir directamente con una probeta.

11) Si necesita diluir un ácido concentrado en agua, verter el ácido al agua con bastante agitación, evitará salpicaduras y sobrecalentamientos peligrosos.

12) Manejar los líquidos inflamables (alcohol, acetona, éter) lejos de las llamas y en sitios bien ventilados.

13) Revisar permanentemente el líquido de los baños de maría, sobre todo cuando se estén calentando, para evitar su desecación que puede ser peligrosa.

14) Los tubos de ensayo se calientan en la parte superior del líquido, inclinados, agitándolos suavemente y cuidando de no apuntar a ningún compañero; evitará accidentes por quemaduras ocasionados por el sobrecalentamiento del líquido que ocasiona proyecciones peligrosas.

15) Si una reacción desprende muchos gases, es necesario realizarla en la vitrina. 16) Al utilizar un recipiente vacío, verificar que realmente lo está y también completamente limpio. 17) No probar los reactivos. Todos son potencialmente tóxicos por lo que solo se permite hacerlo en

casos especiales, siguiendo las directrices de la práctica correspondiente. Para oler una sustancia (únicamente bajo la supervisión de alguien responsable), se debe dirigir una parte de los vapores hacia la nariz.

18) Si le cae ácido, base o cualquier otra sustancia en las manos, lavar con abundante agua y jabón. Si le cae en los ojos (por no usar las gafas plásticas) lavar con abundante agua y avisar al profesor.

19) Evitar el pánico cuando ocurra cualquier anomalía. Mantener la puerta y las ventanas del laboratorio siempre abiertas.

20) Si desconoce el manejo del equipo de laboratorio, pida instrucciones y déjelos completamente limpios y apagados.

21) Una vez terminada la práctica, cerciórese de que las llaves de agua y gas están bien cerradas y los aparatos eléctricos desconectados.

4. Recomendaciones para el uso de los equipos en análisis químico. 4.1 Cuidados con la balanza. Para su empleo, tenga en cuenta las siguientes recomendaciones:

i. Realizar las pesadas utilizando un vidrio de reloj, nunca papel. ii. No derramar los reactivos sobre el plato de la balanza, si ocurre limpie inmediatamente utilizando el

pincel.

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iii. No agregar más sustancia cuando la balanza está en la posición de máxima sensibilidad. iv. Al terminar de pesar, la balanza debe quedar apagada y en ceros. v. Al utilizar la balanza analítica, antes de efectuar la determinación de masa, verifique que las puertas

laterales estén cerradas así evitará las corrientes de aire que producen variaciones en dichas lecturas. 4.2 Cuidados con la centrífuga.

i. Verificar que esté conectada a la línea de 110 voltios. ii. Cargarla colocando tubos semejantes uno frente al otro con el mismo nivel de líquido para garantizar

su equilibrio. iii. Verificar que los tubos sean de la longitud correcta para permitir la libre oscilación de los porta tubos

(de lo contrario, dichos tubos se pueden romper) evitando el derrame de líquidos que pueden dañar el equipo.

iv. Esperar a que la centrífuga se detenga por sí misma, facilitando su apertura. Si no tiene freno (brake) no se debe parar manualmente.

4.3 Cuidados con la bureta.

i. Lavarla muy bien con agua, jabón y nuevamente agua, de tal manera que al fluir el líquido por dentro quede una capa que no forme gotas.

ii. Verificar que la llave gira sin problemas ni escapes. De lo contrario, desmontarla y lubricarla con grasa controlando el libre giro y la ausencia de fugas (si son de teflón, no requieren lubricante). Si no es posible desmontarla, o si después de lubricarla queda con escapes, informarle al encargado del laboratorio quien eventualmente la puede cambiar por otra.

iii. Al montarla en el soporte universal, verificar que la pinza la sujeta firmemente y sin romperla. iv. Antes de comenzar a utilizarla, purgarla con un poco del reactivo con el que vaya a efectuar la

determinación analítica.

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INTRODUCCIÓN AL ANÁLISIS CUALITATIVO Al principio, el análisis cualitativo se estudiaba principalmente como un arte, que consistía en la aplicación con destreza y habilidad de algunos métodos que se habían deducido empíricamente. A medida que ha avanzado la Química como ciencia, se ha demostrado que todos estos métodos prácticamente se apoyan en principios científicos. Por esta razón, el análisis cualitativo moderno no solamente considera los distintos procedimientos de laboratorio que emplea el químico para la identificación de sustancias, sino que también comprende el estudio de las leyes y teorías que proporcionan la interpretación racional de estos métodos36. Introducción con vigencia para el trabajo experimental; en esta práctica inicial tendrá la oportunidad de efectuar esa consideración al analizar la presencia de ciertos grupos atómicos (cationes y aniones) que se encuentran en una determinada solución. Se identifican primero los cationes del Grupo I de la marcha analítica clásica, técnica que mediante la aplicación de reacciones de precipitación, de complejos y de Redox permiten identificar cada uno de los elementos. Está entrando en desuso debido a la fuerte

36 CURTMAN, Luis J. Op. Cit., p. 1.

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incursión de técnicas analíticas instrumentales que permiten realizar en un solo ensayo la determinación cualitativa y la cuantitativa de dichos elementos permitiendo economía de tiempo y dinero, factores en los cuales estos métodos tradicionales no les presentan competencia. Posteriormente se revisarán las reacciones de identificación de algunos aniones importantes de cada uno de los tres grupos en que se estudian, como los halógenos, sulfatos, nitratos y cloratos; algunos característicos como bromatos y yodatos y en particular los permanganatos. 1. Análisis cualitativo de cationes. La experiencia demuestra que ciertos iones metálicos se comportan de manera semejante, conformando una especie de grupo, cuando se tratan con ciertos reactivos (precipitantes, colectores o de grupo) que pueden ayudar en su identificación, aislándolos de otros iones para posteriormente poder confirmar su identidad con otros reactivos (confirmatorios). Algunos reactivos precipitantes son el ácido clorhídrico, el sulfuro de hidrógeno, el sulfuro de amonio y el carbonato de amonio. La marcha analítica sistemática clásica ha determinado cinco grupos conforme se comporten los cationes metálicos más comunes, sin embargo el principio químico que rige todo el análisis se basa en las diferencias de las solubilidades de sus cloruros, sulfuros y carbonatos37. En la tabla 18 se encuentran las principales características de los grupos de cationes.

Tabla 18. Marcha analítica cualitativa clásica de cationes38.

Propiedades Grupo I Grupo II Grupo III Grupo IV Grupo V Grupo VI

Descripción

Cloruros poco solubles, sulfuros insolubles en medio ácido.

Sulfuros poco solubles.

Hidróxidos poco solubles.

Sulfuros poco solubles.

Carbonatos poco solubles en agua y fosfatos insolubles en agua.

Cloruros, Carbonatos y sulfuros solubles en agua.

Reactivo colector

Ácido clorhídrico Ácido sulfhídrico en medio ácido y poco ionizado.

Cloruro de amonio e hidróxido de amonio en solución.

Sulfuro de amonio en solución reguladora amoniacal. (Ácido sulfhídrico ionizado en medio básico)

Carbonato de amonio o fosfato de amonio acuosos.

No tiene reactivo precipitante.

Grupo de elementos

Plata (i) Mercurio (I) Plomo (II)

Mercurio (II) Plomo (II) Bismuto (III) Cobre (II) Cadmio (II) Arsénico (III) Antimonio (III) Estaño (IV)

Aluminio (III) Hierro (III) Cromo (III)

Cobalto (II) Níquel (II) Manganeso (II) Cinc (II)

Calcio (II) Estroncio (II) Bario (II) Magnesio (II)

Potasio (I) Sodio (I) Amonio (I) Magnesio (II)

Según lo anterior:

El grupo I comprende los cationes cuyos cloruros son insolubles en agua39 y en ácidos diluidos.

37 VOGEL, Arthur. Química analítica cualitativa. 6 edición. Buenos Aires, Kapelusz. 1979., p 235. 38 Adaptada de: BERNAL, Inés de y otros. Química analítica. Op. Cit., p 735. 39 El cloruro de plomo es ligeramente soluble en agua.

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El grupo II incluye los cationes cuyos cloruros, solubles en agua, precipitan con ácido sulfhídrico en una solución de ácido clorhídrico 0,3 M.

El grupo III comprende los cationes cuyos sulfuros no se precipitan con el ácido sulfhídrico en solución de ácido clorhídrico 0,3 M, pero cuyos hidróxidos o sulfuros si lo hacen en medio básico con soluciones de amoniaco y que contienen cloruro de amonio40.

El grupo IV contiene los cationes cuyos sulfuros o hidróxidos no precipitan con los reactivos de los grupos II ó III pero cuyos sulfuros precipitan en medio alcalino.

En el grupo V se hallan los cationes cuyos sulfuros o dióxidos no precipitan con los reactivos de los grupos II, III y IV pero cuyos carbonatos si lo hacen por acción de una mezcla de amoniaco y cloruro de amonio.

El grupo V comprende los cationes restantes cuyos cloruros, sulfuros, hidróxidos y carbonatos son solubles en presencia de cloruro de amonio. Por lo tanto no precipitan en ninguno de los grupos precedentes.

El grupo I está formado por los cloruros insolubles de plata, mercurio (oso) y plomo, para comprender el grado de disolución que todavía pueden tener en la solución problema observe la tabla 19 que relaciona la constante de producto de solubilidad y la solubilidad del mismo para cada uno de los precipitados. Como los valores están afectados por un exponente, a mayor valor del mismo más insoluble es la sustancia como lo puede corroborar observando el dato de solubilidad que representa la cantidad del soluto que todavía se encuentra en la solución.

Tabla 19. Propiedades de los cloruros del grupo I.

Sustancia Kps Solubilidad

(mol/L) AgCl 1,5 X 10-10 1,3 X 10-5

Hg2Cl2 2,0 X 10-18 7,5 X 10-7

PbCl2 1,0 X 10-4 0,04 La comparación de las solubilidades, permite deducir que el cloruro de plomo es tres mil veces más soluble que el cloruro de plata y cincuenta y tres mil más que el cloruro mercurioso. Además las solubilidades indican que el cloruro mercurioso casi precipita completamente y el de plomo sólo lo hace en pequeña cantidad precipitando completamente en el grupo II. Para comenzar a separar los componentes de este grupo, se puede aprovechar el cambio en la solubilidad del cloruro de plomo al pasar de temperatura ambiente a 80 º C (la solubilidad del cloruro de plomo a 0 ºC es de 0,67 g/100 mL y a 80 ºC es de 3,34 g/100 mL), para separarlo de los otros, facilitando su identificación. Luego de separarlo, el plomo se reconoce mediante dos reacciones; una utiliza el cromato de potasio para obtener un precipitado amarillo de cromato de plomo:

Pb2+ + CrO42+ → PbCrO4 ↓ (amarillo)

Se confirma mediante otra reacción con yoduro de potasio, si se forma un precipitado amarillo se dice que existe plomo en la solución: 40 Impide la precipitación del hidróxido de magnesio.

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PbCl2 + 2 KI → PbI2 ↓ (amarillo) + 2 KCl

En el precipitado remanente luego de separar el plomo, la técnica separa al cloruro de plata del cloruro mercurioso aprovechando su disolución con amoniaco ya que forma un complejo. Es importante vigilar la concentración de la solución de amonio y la cantidad de cloruro de plata disponible. Se presenta la siguiente reacción:

AgCl + 2 NH3 � [Ag(NH3)2]+ + Cl- La solución de amoniaco también se comporta como un medio de autorreducción del cloruro mercurioso insoluble, produciendo mercurio metálico y cloruro de amin mercurio (I), un residuo gris o negro que ayuda a la identificación del catión. La reacción que ocurre es:

Hg2Cl2 + 2 NH3 � HgNH2Cl ↓ (negro) + Hg ↓ (negro) + NH4+ + Cl-

Por último es necesario tener en cuenta que el éxito de la técnica depende de factores como el producto de solubilidad de los distintos precipitados, el eficiente control del pH, la formación de iones complejos, el comportamiento de los cationes frente a las soluciones reguladoras (o buffer) y al efecto del ion común. 2. Análisis cualitativo de aniones. Estos iones todavía no tienen una marcha analítica como la de los cationes, ni existen reactivos capaces de reunirlos en grupos como aquellos. Sin embargo, en el análisis rutinario se los clasifica en tres grandes grupos, dependiendo de la acción que tienen sobre ellos dos reactivos precipitantes o de grupo. Los grupos mencionados son:

Grupo del sulfato. Comprende los ácidos o aniones que pueden precipitar con el cloruro de bario (BaCl2) o una mezcla de cloruro de bario y cloruro de calcio en medio neutro o amoniacal. Son Sulfato, carbonato, sulfito, tiosulfato, silicato, cromato, fosfato, arsenito, arseniato, borato, fluoruro, oxalato y tratrato.

Grupo del cloruro. Son aquellos ácidos o aniones que pueden precipitar por acción del nitrato de plata. Son: cloruro, bromuro, yoduro, sulfuro, cianuro, tiocianato o sulfocianuro, ferrocianuro y ferricianuro.

Grupo del nitrato. Comprende los ácidos o aniones que no precipitan con ninguno de los reactivos precipitantes de los grupos anteriores. Son principalmente nitrato, nitrito, clorato y acetato.

Como no hay una marcha analítica similar a la de los cationes, para el análisis de los aniones se efectúan reacciones de verificación, dependiendo del grupo del cual se sospecha que pertenecen, comprobando o descartando su presencia de acuerdo con el resultado que muestren con el reactivo indicado. En la práctica, se tomarán algunos aniones importantes de los dos primeros grupos, seleccionándolos entre los que dan soluciones neutras y son por lo tanto apróticos (recuerde que los aniones provenientes de los ácidos débiles hidrolizan el agua para dar un pH básico), de los cuales se estudiarán sus reacciones de precipitación o de grupo.

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Además, del tercer grupo se experimentarán las reacciones de reducciones de nitratos, cloratos, yodatos y permanganatos. Todos estos aniones se han seleccionado por tener algún interés analítico además de ilustrar las reacciones generales de grupo. Del primer grupo, se selecciona al sulfato como el representante más importante. Este anión en medio moderadamente ácido puede reaccionar con cualquier sal soluble de bario obteniéndose un precipitado blanco de sulfato de bario, así:

Ba2+ + SO42 - BaSO4 ↓ BLANCO

Esta reacción es la base de una gama de análisis denominados gravimétricos, en el cual se determina por diferencia de pesadas algunos aniones presentes en agua y materias primas como sulfatos, silicatos, fosfatos y boratos. Del grupo del cloruro, el anión cloruro se puede identificar con una solución al 1 % de nitrato de plata en medio acético para formar el precipitado:

Cl- + Ag+ → AgCl ↓ BLANCO Esta reacción es la base de la argentometría, una técnica que permite cuantificarlos, acerca de la cual se realizará una práctica más adelante. Del tercer grupo, el nitrato, en presencia de iones ferrosos, en medio ácido, sufre reducción, produciéndose finalmente un complejo coloreado soluble (dificultan el ensayo los cloratos, cromatos, yoduros y bromuros entre otros y especialmente los nitritos por dar la misma reacción. Además, el complejo formado es termo inestable por lo que la solución debe estar completamente fría antes de hacerlo).

3 Fe2+ + NO3- + 4 H2O 3 Fe3+ + NO + 6 H2O

Fe2+ + NO H2O + FeNO2+ COMPLEJO PARDO

El ion clorato puede ser reducido con ion nitrito obteniéndose cloruro, reconocible con nitrato de plata como se describió antes:

ClO3- + 3 HNO2 + 3 H2O Cl- + 3 NO3

- + 3 H2O Esta reacción es importante porque ilustra la forma de transformar algunos aniones para su cuantificación posterior. Así, los cloratos que no se pueden cuantificar directamente por ser oxidantes poderosos, se transforman en cloruros, los cuales se cuantifican por argentometría. Los yodatos presentan un comportamiento muy interesante, porque actúan como oxidantes ante el yoduro de potasio que normalmente es un oxidante y, además, porque tanto el producto de oxidación como el de reducción es yodo libre:

IO3- + 5 I- + 6 H+ → 3 I2 + 3 H2O

Se identifica por el color que imparte a la solución, en la cual se confirma su presencia por la adición de unas gotas del reactivo de almidón, obteniéndose un complejo de adsorción de color característico.

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Esta reacción es la base de una técnica cuantitativa denominada yodometría, en la cual la sustancia de interés se hace reaccionar con yoduro de potasio para producir yodo libre, que a su vez se puede cuantificar directamente con tiosulfato utilizando el almidón como indicador, técnica de mucha aplicación en la determinación de sulfitos en vinos. Los bromatos, aunque tienen una mecánica de reacción muy similar, son interesantes desde el punto de vista analítico por ser uno de los aditivos utilizados en algunos alimentos como la harina de trigo. Su identificación transcurre así:

BrO3- + 6 I- + 6 H+ → 3 I2 + Br- + 3 H2O

Finalmente se efectuará una reacción de especial relevancia por ser la base de una técnica analítica que permite cuantificar una gran diversidad de compuestos químicos denominada permanganimetría. En ella, los permanganatos actuando como oxidantes y auto indicadores en medio ácido y en caliente se decoloran por acción de los oxalatos, desprendiendo bióxido de carbono y formando agua:

5 C2O42 - + 2 MnO4

- + 16 H+ → 10 CO2 ↑ + 2 Mn2+ + 8 H2O 3. Procedimiento. Antes de comenzar su experiencia, verifique que no le hacen falta los materiales de laboratorio respectivos. Se le recomienda marcar los tubos para no confundirlos durante la adición de los reactivos ya sea con cinta de enmascarar o con lápiz de cera. Una vez efectuada la reacción deje los tubos en su gradilla y proceda a escribir los resultados en su cuaderno de laboratorio. 3.1 Análisis cualitativo del grupo I de cationes. Encontrará en el laboratorio un recipiente que contiene la muestra con los tres cationes que va a identificar del grupo I. En un vaso de precipitados de 50 mL, tome la cantidad requerida y por ningún motivo devuelva al frasco el resto que le sobre ya que la diluye41. 3.1.1 Precipitación del grupo. En un tubo de ensayo limpio o en el requerido por la centrífuga, mida aproximadamente 2 mL de la solución problema suministrada por el auxiliar de laboratorio y agregue lentamente gotas de solución de ácido clorhídrico diluido hasta que no se forme más precipitado. 41 En el análisis cualitativo no se debe recurrir a la pipeta graduada para medir los reactivos debido a que no es práctico por la cantidad de veces que es necesario tomar volúmenes pequeños de diferentes soluciones y a la facilidad con que se pueden contaminar éstas. Medirlos con probeta tampoco sería muy práctico debido al gran volumen de esta. Además, como no se requiere gran exactitud en las medidas, para los reactivos que están en frascos goteros, se puede considerar que un mililitro equivale aproximadamente a 20 – 25 gotas (dependiendo de su viscosidad) y para los que se utilizan en frascos de tapa rosca, teniendo en cuenta que un tubo de ensayo estándar contiene aproximadamente 10 mL, a simple vista se puede determinar la cantidad de un mililitro (alrededor de 1 cm, contando desde el fondo del tubo).

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Centrifugue42 por un minuto cuidando de equilibrar la centrífuga con otro tubo que contenga una cantidad semejante de agua destilada. Añada unas gotas más de solución de ácido clorhídrico para comprobar que se ha efectuado toda la precipitación43. Si aparece siga añadiendo y centrifugando hasta ensayo negativo (no aparece turbidez en el líquido sobrenadante). Decante el líquido, (si se va a efectuar la marcha clásica, ese sobrenadante se debe reservar para seguir el análisis del grupo II), como la muestra solo contiene cationes del grupo I la puede desechar siguiendo las instrucciones del instructor. 3.1.2 Separación y análisis del ion plomo. Tome el tubo de ensayo con el precipitado del grupo I, añada 9 mL de agua destilada previamente calentada casi a ebullición, agite el precipitado ayudándose con un pequeña varilla de vidrio44, vuelva a centrifugar por un minuto. Decante el líquido sobrenadante en otro tubo de ensayo limpio y coloque el otro tubo en la gradilla marcándolo con los iones Ag+ y Hg2

2+. Tome otro tubo de ensayo limpio y divida el líquido sobrenadante, coloque uno de ellos en la gradilla marcándolo con el ion Pb2+. Al que tiene en la mano, añada cinco gotas de solución de cromato de potasio. La aparición de un precipitado amarillo es positivo para el ion plomo. Registre los resultados en el cuaderno de laboratorio. Reserve el tubo en la gradilla. Coja el otro tubo que había dejado en la gradilla, conteniendo la mitad de la solución calentada. Agregue unas gotas de solución de yoduro de potasio; si aparece un precipitado amarillo también confirma la presencia de plomo. Registre sus resultados y reserve el tubo en la gradilla. Proceda a calentar el tubo cuidadosamente para solubilizar el yoduro de plomo, deje enfriar en la gradilla para detectar un precipitado en forma de agujas brillantes denominado lluvia de oro. 3.1.3 Separación y análisis del ion mercurioso. 42 Se debe empezar centrifugando a 1000 RPM (revoluciones por minuto) para evitar romper los tubos por inexperiencia. Pero dependiendo del caso, si al terminar de centrifugar se observa turbio el sobrenadante, es señal de que el precipitado es muy fino y se debe incrementar la velocidad de la centrífuga de 100 en 100 RPM cuidadosamente. 43 Una forma de verificación es sosteniendo el tubo que contiene al sobrenadante transparente, al nivel de los ojos, dejar caer una gota del reactivo precipitante en el seno del líquido y observar si aparece turbidez. Si ocurre, debe seguir añadiendo más reactivo gota a gota y luego centrifugar. 44 Se le recomienda agitar siguiendo las paredes del tubo, no golpee el fondo so riesgo de romper el tubo y perder la suspensión, además de tener que pagar el tubo de ensayo roto.

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Tome el tubo con precipitado dejado en la gradilla y añada 5 mL de solución diluida de amoniaco, agite ayudándose de una varilla de vidrio y centrifugue por un minuto. Observe el tubo; si se forma un precipitado negro, indica la presencia de mercurio (I) en la solución. Separe el líquido sobrenadante en otro tubo de ensayo y déjelo en la gradilla para el análisis del catión plata, luego de marcarlo. Reserve el tubo con precipitado en la gradilla, marcándolo como ion mercurioso. 3.1.4 Análisis del ion plata. Tome el tubo con líquido de la gradilla para investigar la presencia de ion plata, divídalo por la mitad en otro tubo de ensayo y resérvelo en la gradilla luego de marcarlo. Al tubo que tiene en la mano, agréguele gota a gota solución de yoduro de potasio; si comienza a formar un precipitado amarillo indica la presencia de plata en la solución. Registre el resultado en el cuaderno de laboratorio y deje el tubo en la gradilla. Tome el tubo que reservó en la gradilla y añádale ácido nítrico diluido hasta reacción ácida al tornasol azul, controlando luego de agitar con la varilla al añadir una gota de la solución problema sobre el papel y observando el cambio de color. Observe si comienza a formarse un precipitado blanco, en cuyo caso se confirma la presencia de la plata. Reserve el tubo en la gradilla. Deje transcurrir diez minutos, revise nuevamente cada tubo y escriba en el cuaderno las observaciones a lugar. Tendrá una idea de la estabilidad de cada reacción. Disponga los residuos de la experiencia conforme le indique el instructor o asistente de laboratorio, lave y seque cuidadosamente cada uno de los materiales utilizados en la experiencia. 3.2 Análisis cualitativo de algunos aniones. En el laboratorio encontrará unos frascos con gotero marcados con los nombres de los aniones sulfato, cloruro, bromuro, yoduro, nitrato, clorato, bromato y permanganato. Debe tomar la cantidad necesaria de la misma siguiendo el procedimiento utilizado para el análisis de cationes. Por ningún motivo regrese restos de solución ya que afecta la concentración de la misma por disolución, perdiendo la sensibilidad requerida por el análisis. 3.2.1 Análisis de iones halógeno. Tome tres tubos de ensayo limpios. Márquelos con los símbolos químicos de los iones cloruro, yoduro y bromuro45. Adicione 1 mL de soluciones de cloruro de sodio, de bromuro de sodio y de yoduro de potasio a cada uno de los tubos marcados con el ión correspondiente. Déjelos en la gradilla.

45 Estas soluciones deben prepararse al 1 % en peso.

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Añada a cada tubo cinco gotas de solución de ácido acético al 1% y agite suavemente utilizando las manos. Luego agregue al tubo con cloruro, gota a gota, solución de nitrato de plata al 5 % hasta que no aparezca más precipitado. Verifique el color formado y regístrelo en su cuaderno. Continúe con los demás tubos efectuando la misma operación de adición del nitrato de plata. No olvide registrar sus resultados. Deje los tubos en la gradilla. 3.2.2 Análisis del ion sulfato. Utilice otro tubo de ensayo, márquelo con el símbolo del ion sulfato, adicione 1 mL de la solución de sulfato de sodio al 1 %. Añada dos gotas de ácido clorhídrico diluido y homogenice la solución. Luego adicione gota a gota, solución de cloruro de bario al 5 % hasta que no forme más precipitado. Registre en su cuaderno los resultados. Deje el tubo en la gradilla. 3.2.3 Análisis del ión nitrato. En un tubo de ensayo limpio, coloque 1 mL de solución de nitrato de potasio al 1 %. Adicione 1 mL de solución de sulfato ferroso al 1 %. Por las paredes del tubo de ensayo deje escurrir lentamente y sin agitar 1 mL de ácido sulfúrico concentrado de modo que se forme una capa viscosa debajo de los reactivos. Mantenga el tubo inclinado y espere un tiempo prudencial mientras se forma un anillo pardo entre las dos capas, dando positivo el ensayo. Registre sus resultados en el cuaderno de laboratorio. La importancia de no disturbar el sistema favorece el mantenimiento de la interfase y de no mezclar el ácido sulfúrico concentrado que genera bastante calor obligando a colocar el tubo en la gradilla o a soltarlo con los riesgos subsecuentes. Deje el tubo en la gradilla procurando no agitarlo. 3.2.4 Análisis del ion clorato. En un tubo de ensayo limpio, márquelo con el símbolo químico del ion clorato, adicione 1 mL de la solución de clorato de potasio al 1 %. Luego agregue 1 mL de solución de nitrito de sodio al 1 % recién preparada y cinco gotas de ácido acético 2 N y agite suavemente el tubo de ensayo. Posteriormente añada gotas de solución de nitrato de plata hasta que no precipite más. Observar la forma y color del precipitado, comparándolo con el tubo reservado para el análisis de ion cloruro. Registre los resultados en el cuaderno de laboratorio. Deje el tubo en la gradilla.

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3.2.5 Análisis de los iones bromato y yodato. Tome dos tubos de ensayo limpios. Márquelos con los símbolos químicos de los aniones y añada 1 mL de la solución de yoduro de potasio al 5%, cinco gotas de la solución de ácido sulfúrico al 5 % agitar y añadir diez gotas de las soluciones de yodato y de bromato. Observar la aparición de algún color. Añada dos o tres gotas de la solución de almidón al 1 %, agitar y registrar el desarrollo de algún color en el cuaderno de laboratorio. Deje los tubos en la gradilla. 3.2.6 Identificación del ion permanganato. En un tubo de ensayo limpio, marcado con el símbolo químico del permanganato, añada 1 mL de la solución de permanganato de potasio al 0,3 %, agregue cinco gotas de solución de ácido sulfúrico al 5 % y caliente cuidadosamente sobre un mechero, utilizando unas pinzas para tubo de ensayo. Una vez esté la solución caliente, añada gota a gota solución de oxalato de potasio al 5 % hasta que decolore completamente. Observar y anotar los resultados en el cuaderno de laboratorio. Deje el tubo en la gradilla y espere diez minutos. Ahora revise nuevamente cada uno de los tubos y registre los cambios que han ocurrido. Así tendrá una idea de la estabilidad de cada reacción. Terminada la experiencia, disponer de los residuos de acuerdo a las instrucciones del director de la práctica o del auxiliar. Lavar y secar el material de vidrio utilizado. 4. Tratamiento de datos. Preparar el informe correspondiente de acuerdo a las directrices dadas en la Guía para la presentación de informes de laboratorio.

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DETERMINACIÓN DEL PESO DE UN GRANO DE UN CEREAL COLOMBIANO

La masa de una sustancia es una propiedad física de amplio uso para describir las características de la misma. Para la determinación analítica se utiliza un instrumento que permite comparar masas hasta encontrar un determinado equilibrio y poder concluir que tienen exactamente la misma masa, o mejor, el mismo peso ya que dicha comparación se hace bajo las mismas condiciones gravitacionales. El instrumento que permite efectuar dicha comparación se denomina balanza. Su sensibilidad o capacidad de detectar el peso mínimo depende de las condiciones de su construcción y está en estrecha relación con la precisión que es capaz de generar en la medición, por ello el plato donde se coloca el objeto a pesar se encuentra dentro de una vitrina protegido de agentes extraños y de la influencia de corrientes de aire. Su principio es muy simple ya que equivale a una aplicación de las leyes de la palanca estudiadas en la física, sin embargo ha sufrido modificaciones tan sustanciales en su diseño que las balanzas actuales son mucho más simples, sensibles y con mayor reproducibilidad que las primeras debido principalmente a la utilización de la electrónica en su construcción y uso.

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Una balanza de dos platos tenía tres factores fundamentales que determinar en su calibración: la determinación del punto cero, de los puntos de equilibrio, la sensibilidad y rapidez; una buena balanza debería ser sensible hasta cuatro divisiones de la escala, con período de máximo diez segundos. El esfuerzo de medición consistía en equilibrar lo mejor posible a la cruz de la balanza alcanzando la posición del fiel en el sitio de la escala que mostraba el punto cero. Posteriormente se pasó a la balanza monoplato fundamentada en el principio de sustitución. El platillo de la balanza y sus pesas están suspendidos en el mismo sitio y se encuentra exactamente equilibrada con un contrapeso constante y frenado por un amortiguador de aire, en esta condición su escala se encuentra en cero. Para realizar la pesada, se van quitando pesas del platillo utilizando botones externos, comenzando por el de mayor peso hasta obtener un valor para el cual se sobrepasa el peso del objeto en medición, luego se pasa al botón de menor peso realizando la misma operación hasta cuadrar la tercera cifra decimal de la pesada. La diferencia de peso entre la posición de equilibrio de la balanza y el punto cero de la cruz se logra equilibrando una escala de proyección calibrada en unidades de miligramo estableciendo la última cifra decimal. En las balanzas electrónicas, este mecanismo se sustituye por el uso de sensores piezoeléctricos de presión en el punto en el que se encuentra localizado el platillo produciendo una diferencia de potencial que es equilibrada con otra estándar. Esa diferencia se traduce en unidades de peso que se despliegan en una pantalla digital, de donde se toma el dato o se puede almacenar en una base de datos. A pesar de la facilidad con la cual se realiza actualmente el trabajo analítico de determinación de pesos (o masa) se deben observar ciertos cuidados para evitar influencias del aire que por empuje afecta la medición disminuyendo la lectura, deben tomarse precauciones para minimizar los errores de pesada. Durante ésta no debe tocarse el recipiente con las manos descubiertas, puesto que las huellas digitales modifican su masa. Una muestra siempre debe estar a la temperatura ambiente antes de pesarla, para evitar los errores causados por las corrientes de convección del aire. Para enfriar una muestra secada en un horno, generalmente se requiere que permanezca media hora en un desecador a temperatura ambiente. El platillo de la balanza debe estar en posición de bloqueo cuando en él se coloca una carga, y en posición de semibloqueo cuando se hacen los ajustes de pesada. De esta forma se protegen las cuchillas contra el desgaste causado por esfuerzos bruscos. Las puertas de vidrio de la balanza analítica deben estar cerradas durante las operaciones de lectura, a fin de evitar oscilaciones producidas por las corrientes de aire. Las balanzas abiertas que se cargan por arriba deben estar provistas de una protección eficaz alrededor del platillo, para minimizar los efectos de dichas corrientes. Las balanzas sensibles se montan frecuentemente sobre una base pesada (como una plancha de mármol) para reducir los efectos de las vibraciones sobre las lecturas. Una balanza se nivela mediante los soportes ajustables, y haciendo uso del nivel de burbuja46. El propósito de esta práctica, además de brindarle la oportunidad de comenzar a trabajar con la balanza analítica, tiene como finalidad que conjuntamente con sus compañeros de práctica realice la determinación de la masa de un grano de maíz o de otro cereal que se encuentre en la región para determinar cuál es la masa real del mismo y valore la precisión del resultado conforme a lo discutido en la teoría de la primera unidad, por ello

46 HARRIS, Daniel C. Análisis químico cuantitativo. Op. Cit., p 17.

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trabajará experimentalmente el concepto de población, muestra estadística, exactitud, precisión y determinación de las fuentes de error en esta determinación cuantitativa. 1. Procedimiento. El grupo debe ponerse de acuerdo para adquirir una libra de un cereal típico de la región, por ejemplo de maíz. Una vez en el laboratorio tomar un vaso de precipitados de 600 mL limpio y seco, pesarlo en una balanza corriente de una o dos cifras decimales, luego agregar la libra de maíz (u otro cereal) sin el empaque y pesar nuevamente. Todo el grupo debe registrar en sus cuadernos las pesadas efectuadas y su descripción. Si el cereal seleccionado tiene material extraño (harina, insectos, restos vegetales) se debe eliminar grano por grano con una toalla limpia, aseando igualmente el interior del vaso y volver a pesar los granos completamente limpios, registrando el dato en los cuadernos de laboratorio. Luego cada integrante del grupo debe seleccionar al azar diez granos (procurando no tomarlos con las manos desnudas) y determinar sus masas en la balanza analítica, registrando en su cuaderno los datos obtenidos. Lo remplaza otro compañero quien agita nuevamente el vaso y procede a efectuar sus diez mediciones. Mientras se realizan las pesadas, un integrante del grupo debe ir registrando en una hoja los datos de todas las mediciones. Al finalizar las pesadas, cada estudiante debe tomar una fotocopia de la información consolidada, la cual debe adjuntarse al cuaderno de laboratorio. 2. Tratamiento de los datos. Cada integrante del grupo debe calcular con los datos que obtuvo la media y la desviación estándar y reportar el peso encontrado con el nivel de precisión logrado. Igualmente cada uno debe efectuar dicha operación con todos los datos de la hoja fotocopiada, elaborando además el histograma y el polígono de frecuencias. Entre todos, discutir los resultados obtenidos y elaborar el informe correspondiente como se indicó en la Guía para la presentación de informes de laboratorio

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SEGUNDA UNIDAD

MÉTODOS CLÁSICOS DE ANÁLISIS

6. Palabras clave. Gravimetría, Volumetría, Complejometría, volumetría REDOX, materiales, reactivo analítico, alícuota, equipo de vidrio.

7. Propósitos. Aquí, buscaremos que usted comprenda los fundamentos de los análisis clásicos divididos en dos grupos grandes de técnicas: gravimétricas y volumétricas, capítulos que compondrán dicho material. En ambos casos estudiaremos los fundamentos, los fenómenos físicos y químicos implicados en los métodos lo mismo que la descripción de los mismos, de modo que usted posteriormente pueda aplicarlos en las actividades prácticas de laboratorio definidas en el último de los capítulos de la unidad para que conforme a sus intereses haga la respectiva adecuación a una muestra que desee analizar utilizando estos métodos, previa aprobación por parte del tutor.

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8. Objetivos.

2) Establecer los fundamentos químicos y físicos de los métodos clásicos de análisis cualitativo y

cuantitativo en productos alimenticios o en otro tipo de productos, los métodos tradicionales de realizaciones de los mismos y aplicarlos a una muestra específica que sea de interés del estudiante.

3) Dar la oportunidad para que selecciones los métodos de análisis y los apliques a un producto de su interés teniendo en cuenta las condiciones disponibles en los CEAD que oferten el curso.

4) Elaborar un informe escrito donde explicite los resultados encontrados, los criterios para el análisis realizado y las recomendaciones para su mejoramiento o su rechazo.

9. Competencias. En esta unidad el estudiante comenzará su trabajo académico estudiando métodos de análisis concretos y específicos de aplicación en su campo de trabajo profesional. Sin embargo nuestro interés no es que se transforme completamente en un analista sino que conozca los fundamentos, las limitaciones y las bondades que presentan las técnicas analíticas clásicas en la determinación de algunas sustancias de interés en el campo de los alimentos y, cuando requiera los servicios de un laboratorio especializado, sepa ordenarlos, definir los resultados esperados y efectuar las correspondientes aplicaciones para que pueda tomar decisiones fundamentales sobre un lote de materia prima, de insumos o de producto terminado, conforme a los lineamientos de control de calidad que haya definido en la empresa donde se encuentra laborando. Debe comenzar a estructurar su propio método de estudio, utilizando las estrategias que ha venido desarrollando en otros cursos al efectuar la adecuada combinación entre estudio individual, trabajo en grupo colaborativo y en grupo de curso ya que todos ellos le ayudan a alcanzar las metas del mismo. Necesariamente requiere el desarrollo de criterios que le permitan efectuar valoraciones y recomendaciones sobre las condiciones que debe cumplir los resultados del análisis ordenado mediante las técnicas analíticas clásicas.

10. Metas de Aprendizaje. Establecer las condiciones conceptuales, experimentales, metodológicas, recomendaciones, selección de materiales y reactivos adecuados para la aplicación de las técnicas analíticas clásicas en la determinación de sustancias de interés dentro de una materia prima, un proceso o un producto final y que tiene utilidad como alimento apto para los seres humanos. Establecer su propio método de trabajo para la selección de muestra, su preparación y definición de criterios para ordenar unos análisis químicos cualitativos o cuantitativos o ambos de ser necesario. Definir el procedimiento a seguir para establecer los criterios de análisis de datos y sus resultados.

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ESQUEMA CONCEPTUAL DE LA UNIDAD

LOS MÉTODOS CLÁSICOS DE ANÁLISIS

Tienen

FUNDAMENTOS PROCESOS TÉCNICAS EQUIPOS

Como Como Como Como

SOLUBILIDAD EQUILIBRIO

PRECIPITADO pH

REDOX GRAVIMETRÍA VOLUMETRÍA

PESADA TITULACIÓN

BALANZA BALÓN

AFORADO PIPETAS BURETA

Midiendo:

MASA

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INTRODUCCIÓN Esta unidad va a trabajar dos temas relacionados con las técnicas analíticas denominadas clásicas ya que fueron las que inicialmente se comenzaron a utilizar en la determinación de sustancias. El desarrollo del método científico tenía un espacio importante durante el siglo XVII, producto del trabajo de Galileo Galilei quien aumentó a las técnicas de inducción y deducción heredadas de la civilización grecolatina con el planeamiento sistemático de experimentos y la medición de variables. Antoine Laurent de Lavoisier es el padre de la Química Moderna y un fuerte impulsor de la medición experimental basándose fundamentalmente en la determinación del peso o masa de las sustancias luego de su purificación. El desarrollo cuidadoso de esta técnica y su complementación con la volumetría han hecho de estas las herramientas más utilizadas con el mayor grado de precisión; a pesar del avance de la tecnología, principalmente de la microelectrónica y el desarrollo de software no han podido eliminarlas del todo ya que en muchos casos es necesario tomarlas como referentes para la calibración de los equipos o de determinación de la reproducibilidad de las técnicas instrumentales.

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En esta unidad analizaremos los fundamentos, los métodos, las técnicas y los equipos utilizados en el desarrollo de la gravimetría y la volumetría, manteniendo claros y siempre en uso los conceptos y criterios que se desarrollaron en la primera unidad y que tienen como objeto ayudarle a establecer conclusiones adecuadas al valorar los resultados experimentales que esté trabajando. El énfasis de esta unidad, estará dado a comprender el fundamento de los métodos de análisis más comúnmente utilizados en el campo de los alimentos, tanto en su control de calidad como en el esbozo de técnicas para el análisis más especializado si se trata de ahondar en el conocimiento de las características y el comportamiento de este conjunto de materiales útiles para la manutención de la vida de seres vivos (humanos y animales con fines comerciales). Recurrir a la bibliografía, reforzar conceptos y realizar ejercicios planteados no sólo en este material son el secreto para lograr el aprendizaje requerido en este curso. La parte experimental que se encuentra al final, tiene como propósito que confronte la teoría con la práctica, desarrolle las habilidades necesarias para ordenar e interpretar los resultados obtenidos en los análisis. El (la) tutor (a) es un apoyo que la institución le brinda y al que debe acudir cuando lo requiera para clarificar y afianzar sus conocimientos; también le dará información de retorno sobre los productos de aprendizaje que aquí se le presentan para consolidar mejor su saber en esta disciplina.

TEMA 1.

GRAVIMETRÍA Corresponde a la primera técnica clásica, su principio es la determinación de la masa o el peso de una sustancia mediante una balanza analítica. 1. Solubilidad Nuestra primera experiencia es el contacto con el agua. La utilizamos para resolver los problemas de limpieza de la mayoría de las situaciones de nuestra vida cotidiana, la preparación de alimentos, el consumo de medicamentos y otras más. ¿Cuál es la propiedad que la hace tan especial para esa utilidad? La solubilidad es una propiedad que presenta una sustancia al disolverse en otra una determinada cantidad a una cierta temperatura para establecer el siguiente equilibrio:

Soluto puro = Soluto disuelto Todavía no se ha podido formular una teoría sobre la solubilidad. Las teorías del enlace químico no han podido dar una explicación suficiente al fenómeno, aunque se sabe que esa propiedad se relaciona con tres factores que dan la posibilidad de la disolución:

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• Las fuerzas moleculares iónicas que unen entre sí a las partículas de la sustancia pura, deben desaparecer si se va a dispersar como soluto en un medio líquido47 (energía reticular).

• Si la sustancia tiende a pasar a la fase líquida, sólo puede lograrlo si es capaz de romper los enlaces de hidrógeno que tiene el agua, por ejemplo, y poder penetrar en la estructura molecular del líquido estableciendo nuevas uniones (energía de hidratación).

• Las sustancias capaces de superar esas dos barreras energéticas y establecer interacciones poderosas con las moléculas del solvente, se dice que son solubles.

Si recordamos qué ocurre cuando colocamos un soluto iónico o molecular en agua, sabemos que en la superficie del cristal la facilidad con que la partícula iónica o la molécula entra a formar parte de la solución es mayor ya que las moléculas del agua las rodean orientándose según las polaridades que reinen entre ellas de modo que las puedan sacar del sólido (aquí se consume la energía reticular). Cuando se encuentra la partícula de soluto libre, nuevamente es rodeada por otras moléculas del solvente correspondiendo a la hidratación o solvatación del soluto (el consumo de energía corresponde a la energía de hidratación o de solvatación). Lo anterior nos permite deducir una regla experimental importante en química: semejante disuelve a semejante, que podemos interpretarla según la polaridad que pueda tener cualquier sustancia cuyo comportamiento vayamos a considerar frente a un determinado solvente. En la hidratación48 de las partículas parece predominar la formación de enlaces de hidrógeno o el establecimiento de enlaces covalentes coordinados (por ejemplo, en el caso de algunos cationes metálicos) como lo podemos ver en la figura 6. La máxima concentración que se puede lograr en el proceso de disolución de un sólido a una temperatura dada se describe como una solución saturada, la cual, para una temperatura dada, no presenta ningún cambio neto en la cantidad de la fase sólida en contacto con la disolución. Si se enfría la solución y no se separa sólido, la solución se encuentra en un estado meta estable denominado solución sobresaturada. La formación de una solución bajo la influencia de factores como la composición del solvente, la concentración de otras sustancias (efecto del ion común o el efecto sal) que pueden acompañar al soluto, la presión y la temperatura. En nuestro caso podemos representar el equilibrio así:

Energía + Soluto + Solvente = Solución saturada Si consideramos el efecto de la temperatura, al incrementarse podemos establecer, de acuerdo con el principio de Le Chatelier que se desplazará en el sentido de absorber calor, es decir, se incrementa la solubilidad. Este es el efecto más común, en especial cuando se trata de sustancias inorgánicas; sin embargo, hay casos, como el del sulfato de calcio, donde ocurre el fenómeno contrario. En los gases la situación es diferente; por lo general su solubilidad es mayor a baja temperatura pero cuando ella se incrementa la solubilidad disminuye. Este fenómeno es crítico cuando el agua sufre de contaminación

47 Se dice líquido para trabajar las soluciones en este estado, que corresponde a la experiencia que trabajaremos en este módulo. Sin embargo, se prefiere hablar de medio fluido para agrupar los estados líquido y gaseoso cuyo comportamiento en la formación de soluciones son iguales. Una solución corresponde a una fase homogénea; por ello se constituye como una especie de “estado” que se diferencia de una suspensión o de un coloide. 48 Cuando hablamos de hidratación, nuestro solvente siempre es el agua. Por ello el término más amplio es solvatación puesto que tenemos otros solventes líquidos provenientes de sustancias orgánicas como el éter, la acetona, el etanol entre otros donde el fenómeno de solubilidad es semejante. Todavía no se han escrito términos para explicar el mismo fenómeno de manera tan particular con cada uno de ellos, sino estrictamente con el agua por las razones ya anotadas.

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térmica pues la cantidad de oxígeno disuelto se hace más baja alcanzando niveles de concentración menores que los requeridos para la sobrevivencia de peces y otros animales acuáticos. El otro factor que afecta la solubilidad de una sustancia es la presión, la cual es importante para las disoluciones de los gases en el agua. En este caso, su comportamiento se expresa mediante la Ley de Henry si se pretende preparar soluciones diluidas y a presiones relativamente bajas ya que en otras condiciones su comportamiento no es tan fácil de describir.

Figura 6. Posibles estructuras para dos iones hidratados. La variación de la solubilidad con la composición del medio puede ser importante de conocer ya que su manejo puede incrementar o disminuir la cantidad de soluto facilitando su recuperación. La presencia de iones comunes o de otros son formas en que se afecta la solubilidad de una sustancia. Este fenómeno es muy común en el caso de los compuestos inorgánicos. Hasta el momento tenemos una serie de características del comportamiento general que sigue la mayoría de las sustancias, pero no podemos todavía disponer de unos criterios que nos permita predecir si la sustancia va a ser soluble o no en agua; todo lo que podemos establecer es si es polar o no lo es. Para poder construir esas reglas de solubilidad dividamos las sustancias en dos grupos: las inorgánicas y las orgánicas.

H H H

H

H

HH

H

O

O O

O

Be

2+

Hidratación de un catión

H

H

H

H

H

H

H

HO

OOO

O

O

OO

S

2-

Hidratación de un anión

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Estudiemos, en primer lugar, los referentes para las sustancias inorgánicas. Estas se caracterizan por tener en la mayoría de los casos enlaces iónicos o covalentes polares; para los iones se ha encontrado que su hidratación se puede predecir ya que:

• Los iones con cargas elevadas atraen fuertemente los átomos de hidrógeno de la molécula de agua. • Los iones pequeños son más efectivos que los grandes debido a que la carga se concentra más en los

de menor tamaño. Esto nos puede ayudar a comprender el comportamiento de la solubilidad de sustancias inorgánicas como son:

• La mayoría de las sales de sodio, potasio, amonio, nitratos, nitritos, cloratos, percloratos y acetatos son solubles en agua aunque el nitrato de plata es poco soluble.

• Los óxidos e hidróxidos metálicos son insolubles con excepción de los metales alcalinos y el de amonio.

• Todos los sulfuros son insolubles salvo los de los metales alcalinos, los de los alcalinotérreos (los de calcio, estroncio y bario son ligeramente solubles) y el de magnesio.

• Los cloruros son solubles menos el de plomo, plata, mercurio (I) y los hipocloritos de bismuto y de estroncio.

• Todos los yoduros son solubles excepto los de plata, plomo (II), mercurio (I), el de cobre (I) y los hipoyoditos de bismuto y de antimonio. Los yoduros de bismuto (II) y de estaño (II) son ligeramente solubles.

• Los fluoruros son insolubles pero no los de los metales alcalinos y los de plata, bismuto, hierro (II) y estaño (IV).

• Los sulfatos son solubles menos los de plomo, mercurio (I) y estroncio que son insolubles; los de plata, mercurio (II) y de calcio son ligeramente solubles.

• Todos los cromatos son insolubles pero no los de metales alcalinos y los de calcio, magnesio y cinc. • Los carbonatos, sulfitos, fosfatos, boratos y oxalatos son insolubles en agua salvo los de los metales

alcalinos. Sin embargo, estos se pueden disolver modificando el pH (acidificación). Quizás, para que entendamos mejor lo que puede ser una sustancia soluble observemos la siguiente escala de solubilidad relativa para las sustancias inorgánicas:

Soluble: más de 50 g/L Moderadamente soluble: de 10 a 50 g/L

Ligeramente soluble: 1 a 10 g/L Moderadamente insoluble: 0,01 a 1 g/L

Insoluble: menos de 0,01 g/L Sin embargo, no podemos olvidar que se puede incrementar la solubilidad de una sustancia si variamos su pH, si facilitamos la formación de complejos, si recurrimos a los efectos del ion común o a iones que tienen mayor carga. Ahora estudiemos el comportamiento que presentan en su solubilidad frente al agua las sustancias orgánicas. Nuevamente encontramos que en ellas aparecen dos situaciones: los compuestos no polares o poco polares con fuerzas de asociación muy débiles que pueden ser disueltas por otras moléculas semejantes para formar soluciones verdaderas (ejemplo: el hexano se solubiliza en Heptano o en tetracloruro de carbono), o aquellos polares cuyas energías de asociación no pueden ser alcanzadas por los solventes no polares y que al no poderse disolver, permanecen insolubles. No obstante, los anteriores hechos no son tan excluyentes puesto que entre compuestos orgánicos, solubles en agua, se encuentra que al aumentar el tamaño de la cadena la solubilidad disminuye y que sustancias con gran cantidad de grupos capaces de establecer puentes de hidrógeno no forman soluciones acuosas (caso de la celulosa).

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Lo anterior nos tiene también que permitir formular algunos referentes para entender esta propiedad:

• Los compuestos orgánicos son prácticamente insolubles en agua a no ser que posean uno o más átomos de oxígeno o de nitrógeno en sus moléculas capaces de formar puentes de hidrógeno con el agua, en cadenas carbonadas no mayores de cinco a seis carbonos.

• Los compuestos que contengan un átomo de nitrógeno o de oxígeno generalmente son miscibles en agua o moderadamente solubles en ella si su molécula tiene hasta cinco átomos de carbono. El aumento de carbonos sin incrementar los oxígenos o los nitrógenos hacen que la solubilidad disminuya rápidamente.

• Muchos compuestos orgánicos son solubles entre sí en alguna cantidad. Las moléculas que tienen composición similar, por lo general, son muy solubles entre sí, que aquellas que presentan grandes diferencias en sus fórmulas químicas.

• Las sales orgánicas son solubles en agua e insolubles en solventes orgánicos49. • Los compuestos que contengan carbono e hidrógeno; carbono, hidrógeno y azufre o carbono,

hidrógeno y halógeno frecuentemente son insolubles en agua. • El anillo aromático de seis carbonos unido a grupos polares como hidroxilo, amida o ácido

carboxílico, tiene una solubilidad parecida a la que presenta el compuesto alifático correspondiente de cuatro átomos de carbono.

• El aumento del peso molecular del compuesto orgánico, aumenta sus fuerzas intermoleculares haciéndolo insoluble.

• Los isómeros de cadena y de posición son más solubles que el correspondiente compuesto de cadena normal; el isómero ramificado es el que tiene mayor solubilidad.

Los átomos de hidrógeno de la molécula de agua forman puentes de hidrógeno con los grupos funcionales de alcoholes, éteres, aldehídos, cetonas y aminas siempre que su cadena carbonada no tenga más de cinco carbonos. Si es mayor, las fuerzas intermoleculares que existen entre ellas son más fuertes que las que pueden establecer los puentes de hidrógeno y se presenta la insolubilidad. Es importante que tengamos presente esta característica del agua: ella de por sí es un mal solvente para la mayoría de sustancias orgánicas, dificultad que se supera si le adicionamos un solvente orgánico polar como el metanol; estos solventes se denominan próticos porque son ácidos, su importancia tiene que ver con su reactividad y el poder nucleofílico que aparece en ciertas reacciones orgánicas. Vale la pena que recordemos el comportamiento específico que presentan moléculas con parte polares y no polares como detergentes, proteínas, lípidos polares (esfingolípidos, fosfolípidos) entre otros, que orientan su parte polar hacia el agua y la no polar que emplean como un solvente para solubilizarse mutuamente jugando un papel muy importante en la conformación de las membranas celulares y de los organelos celulares o favorecer la aparición de la estructura terciaria de las proteínas. Por lo tanto, podemos deducir que cuando una sustancia orgánica se disuelve en agua nos puede dar indicios sobre sus grupos funcionales, el tamaño de su cadena carbonada y la acción que ejercerá sobre su capacidad de modificar el equilibrio de su ionización. Lo que hasta ahora hemos discutido nos sirve para formarnos una idea general de cómo se comportaría una sustancia orgánica frente al agua, pero si se trata de casos muy particulares, por ejemplo, el comportamiento de los ácidos carboxílicos, las aminas secundarias o terciarias y las amidas es necesario estudiarlas particularmente lo cual no es objeto de este curso. De modo que lo tratado nos permite establecer que cuando una sustancia se solubiliza en agua es porque es:

• Un electrolito, o sea un compuesto iónico capaz de romper los puentes de hidrógeno del agua e hidratarse para formar interacciones dipolo – dipolo.

49 Son solventes orgánicos aquellas sustancias que a temperatura ambiente son líquidas y que generalmente son combustibles como el éter de petróleo, hexano, benceno, tolueno, éter etílico, metanol, etanol, cloroformo o tetracloruro de carbono entre otros.

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• Un ácido o una base, puede alterar el equilibrio de ionización del agua, formando puentes de hidrógeno con el solvente.

• Un compuesto polar capaz de formar uniones dipolo – dipolo más fuertes que los puentes de hidrógeno que tiene el agua o una combinación de los dos.

Recordemos que se pueden establecer ciertas “proporciones” entre soluto y solvente que constituyen las unidades de concentración, las cuales son de dos tipos, las unidades físicas y las unidades químicas. En la siguiente tabla encontramos esas expresiones:

Molaridad Molalidad Normalidad M = nSo/VSn m = nSo/kgSe N = eqSo/VSn

Fracción molar Porcentaje molar Porcentaje en peso X = nSo/nTotales %Mol = X (100) %P/P = (gSo/gSn) 100

Porcentaje en volumen Relación peso a volumen Partes por millón %V/V = (VSo/VSn) 100 %P/V = (gSo/VSn) 100 ppm = mgSo/kgSn

So = soluto Se = solvente Sn = solución Las tres primeras expresiones corresponden a las unidades químicas y las otras son unidades físicas. 2. Equilibrio químico y reacciones de precipitación. 2.1 Conceptos generales. Las sustancias cuando interactúan entre sí requieren de un conjunto de condiciones para transformarse como lo podemos deducir del curso de química general y su comportamiento permite diferenciar dos procesos uno reversible, unidireccional que lleva a obtener sólo productos y otro a formar mezclas de reactivos y de reaccionantes; estas se dice que son reversibles y que se encuentran en un equilibrio dinámico de síntesis y de descomposición. Es posible definir cuatro criterios para que un sistema químico tenga dicha condición:

i. A nivel macroscópico, decimos que el sistema está en equilibrio, si las observaciones directas no revelan cambios en las propiedades generales con el transcurso del tiempo, pareciendo estar estático.

ii. A nivel microscópico o molecular, al comparar las velocidades en que están ocurriendo las dos reacciones (síntesis y descomposición) se encuentran los mismos valores por ello no se detecta ningún cambio neto en las propiedades del sistema con el tiempo.

iii. Teniendo en cuenta el cambio energético el sistema debe de estar en un nivel mínimo de energía y aún así se dispone de suficiente para poder permitir los cambios en los dos sentidos.

iv. Se puede describir dicho cambio utilizando una ecuación matemática que corresponde a una constante llamada de equilibrio50.

Lo anterior lo podemos establecer utilizando una ecuación generalizada:

a A + b B d D + e E Correspondería a la característica discutida en el primer criterio. Ahora establezcamos las velocidades de la reacción de síntesis y la de descomposición:

v = k1 [D]d [E]e

v = k2 [A]a [B]b Como se encuentran en equilibrio, podemos igualar las dos ecuaciones:

k2 [A]a [B]b = k1 [D]d [E]e 50 RAMETTE, Richard. W. Equilibrio y análisis químico. Op. Cit., p. 86

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Expresión que concuerda a la Ley de Acción de Masas propuesta por Guldberg y Waage, donde dice que la velocidad de reacción es proporcional a las masas activas de las sustancias reaccionantes51. Los estados estándares para poder pasar de la masa activa a la expresión de concentración afectado por su coeficiente estequiométrico son:

• Un sólido puro y un líquido puros tienen como actividad la unidad. • Las actividades del soluto y del solvente dependen de su fracción molar. • La actividad de un gas puro depende de su presión y temperatura: se considera uno cuando están en

condiciones normales (una atmósfera y 20 ºC) Por ello podemos despejar la fórmula anterior así: Esta expresión es aproximada porque requiere la determinación de los coeficientes de actividad y la determinación de la influencia de la fuerza iónica de cada una de las especies que participa; sin embargo como en el análisis químico se trabajan con soluciones diluidas este efecto es despreciable y tiende a la unidad. Cuando se trabajen soluciones concentradas, esta ecuación no tiene sentido. Las reacciones de precipitación comprenden un equilibrio entre una sustancia sólida y los iones que la componen, por ello la expresión del equilibrio es mucho más simple; hagamos uso de una ecuación generalizada:

FGSÓLIDO f F + g G En la realidad encontramos dos fases: una sólida y otra líquida, las dos se encuentran en equilibrio y es posible establecer un conjunto de comportamientos debidos a la interacción soluto – solvente como lo mencionamos atrás, la condición de la solución sobresaturada y la cantidad de soluto que se encuentra disuelto en una cantidad definida de solvente. La expresión de su ecuación de equilibrio es:

KPS = [F]f [G]g Observemos algunos detalles que hacen especial este tipo de equilibrio: en primer lugar la forma como diferenciamos la constante, generando la condición de cambio de su nombre por la de Constante de producto de solubilidad y, en segundo lugar, no aparece la concentración del reactivo así hallamos establecido que existe en el sistema químico considerado pero, como establecimos también unas condiciones de estado estándar, el sólido sin disolver se encuentra en estado fundamental quedando como denominador el número uno; por convención no lo escribimos. Por consiguiente, el principio de producto de solubilidad, en general, puede enunciarse así: en una solución saturada de un electrolito difícilmente soluble, el producto de las concentraciones molares de los iones, elevada cada una a la potencia igual al número de veces que existe en la fórmula, es una constante a una temperatura dada52. Veamos la tabla 20 que presenta valores de estas constantes, y utilicémoslos en la realización de algunos ejercicios para demostrar el cumplimiento de los principios estudiados arriba. Tomemos el primer compuesto de esa tabla, el bromuro cuproso. La reacción de disolución en agua será:

CuBr Cu+ + Br- 51 AYRES, Gilbert H. Análisis químico cuantitativo. Op. Cit., p 55 – 62. 52 RAMÍREZ, Bernal. Inés de. GAVIRIA Salazar, Luis Enrique. MORALES, Alicia Lucía. YOUNG, Torres Stella de. Química analítica. Bogotá, UNISUR. 1996., p. 141.

=KEQ = k2 k1

[D]d [E]e [A]a [B]b

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La constante de producto de solubilidad será:

KPS = [Cu+] [Br-] = 4,2*10- 8 Con estos datos podremos calcular la solubilidad, o cantidad de sustancia que se disuelve totalmente en un solvente dado y se expresa como g/L. Para ello recurrimos al álgebra suponiendo que X representa la cantidad molar de cada uno de los iones disueltos, que para el caso del bromuro cuproso sería únicamente dos ya que están en la misma proporción. La ecuación de KPS queda:

KPS = [X] [X] = 4,2*10- 8 = [X]2 La solubilidad queda expresada en molaridad (M) y correspondería a la raíz cuadrada del valor de KPS, lo que equivale a 2,1*10- 5 M. Para pasarla a g/L, debemos efectuar el cambio teniendo en cuenta el peso molecular de la sustancia53, lo cual nos da 3,0*10- 3 g/L. Ahora, podemos efectuar una comparación de los valores de las KPS entre las diferentes sustancias, observemos los dos primeros compuestos de la tabla 20; el bromuro de cobre y el bromuro de plata; si comparamos las solubilidades de cada uno de ellos podemos establecer que la del bromuro de cobre es más alta que la del bromuro de plata (3,0*10- 3 g/L para el primero y de 1,65*10- 4) podemos establecer que el valor de la constante del producto de solubilidad es un índice cualitativo de la solubilidad; un valor muy pequeño indica que la sustancia es casi insoluble y un valor mayor, que ella es soluble; ahora, recordemos que debemos tener un poco de cuidado con la regla ya que depende del número de iones que se encuentren en solución ya que si estoa aumentan se modifica el comportamiento de la sustancia y se tendría que efectuar el cálculo correspondiente. Ahora podemos también efectuar el cálculo de la KPS si conocemos el valor de la solubilidad como en este caso; el cromato de bario tiene una solubilidad de 3,7*10- 3 g/L. Recordemos que las unidades de las constantes son moles por litro por lo que debemos efectuar el cambio correspondiente. Establecemos el peso molecular del cromato de bario: 253 g/mol, luego calculamos el número de moles disueltos en un litro de solución: 1,4*10- 5 mol/L. Ahora escribimos la ecuación de disolución de la sal para establecer cuántos iones aparecen en la solvatación:

BaCrO4 Ba2 + + CrO42 –

Escribimos su constante de producto de solubilidad:

KPS = [Ba2+] [CrO42 -]

Como los dos iones son idénticos en su concentración, el valor de la constante será:

KPS = [1,4*10- 5] [1,4*10- 5] = 1,96*10- 10

Tabla 20. Constantes de producto de solubilidad

53 No se ilustra el cálculo por corresponder más a los que ya trabajó en su curso de Química General. Si tiene alguna duda, resuélvala en su grupo de estudio y si no es posible, hágalo con su tutor(a).

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Nombre del compuesto Fórmula KPS Bromuro de cobre (I) CuBr 4,2*10- 8 Bromuro de plata AgBr 7,7*10- 13 Carbonato de bario BaCO3 8,1*10- 9 Carbonato de calcio CaCO3 8,7*10- 9 Carbonato de estroncio SrCO3 1,6*10- 10 Carbonato de magnesio MgCO3 4,0*10- 5 Carbonato de plata Ag2CO3 8,1*10- 12 Carbonato de plomo (II) PbCO3 3,3*10- 14 Cloruro de mercurio (I) Hg2Cl2 3,5*10- 18 Cloruro de plata AgCl 1,8*10- 10 Cloruro de plomo (II) PbCl2 2,4*10- 4 Cromato de plomo (II) PbCrO4 2,0*10- 14 Cromato de plata Ag2CrO4 2,37*10- 12 Fluoruro de bario BaF2 1,7*10- 6 Fluoruro de calcio CaF2 4,0*10- 11 Fluoruro de plomo (II) PbF2 4,1*10- 8 Fosfato de calcio Ca3(PO4)2 1,2*10- 26 Fosfato de plomo (II) Pb3(PO4)2 7,9*10- 43 Hidróxido de aluminio Al(OH)3 1,8*10- 33 Hidróxido de calcio Ca(OH)2 8,0*10- 6 Hidróxido de cobre (II) Cu(OH)2 2,2*10- 20 Hidróxido de cromo (III) Cr(OH)3 3,0*10- 29 Hidróxido de hierro (II) Fe(OH)2 1,6*10- 14 Hidróxido de hierro (III) Fe(OH)3 1,1*10- 36 Hidróxido de magnesio Mg(OH)2 1,2*10- 11 Hidróxido de zinc Zn(OH)2 1,8*10- 14 Sulfato de bario BaSO4 1,1*10- 10 Sulfato de estroncio SrSO4 3,8*10- 7 Sulfato de plata Ag2SO4 1,4*10- 5 Sulfuro de bismuto Bi2S3 1,6*10- 72 Sulfuro de cadmio CdS 8,0*10- 28 Sulfuro de cobalto (II) CoS 4,0*10- 21 Sulfuro de cobre (II) CuS 6,0*10- 37 Sulfuro de estaño (II) SnS 1,0*10- 26 Sulfuro de hierro (II) FeS 6,0*10- 19 Sulfuro de manganeso (II) MnS 3,0*10- 14 Sulfuro de mercurio (II) HgS 4,0*10- 54 Sulfuro de níquel (II) NiS 1,4*10- 24 Sulfuro de plata Ag2S 6,0*10- 51 Sulfuro de plomo (II) PbS 3,4*10- 28 Sulfuro de zinc ZnS 3,0*10- 23 Yodato de bario Ba(IO3)2 1,57*10- 9 Yoduro de cobre (I) CuI 5,1*10- 12 Yoduro de plata AgI 8,3*10- 17 Yoduro de plomo (II) PbI2 1,4*10- 6 2.2 Factores que influyen a la constante de producto de solubilidad. Las reacciones de precipitación se encuentran afectadas por los siguientes factores: 2.2.1 Efecto de la temperatura.

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La temperatura modifica los valores de solubilidad aumentándolos o disminuyéndolos dependiendo de la termodinámica de cada una de las reacciones de solvatación que favorecen la reacción de disolución o la de cristalización respectivamente, en la mayoría de los casos encontramos un comportamiento favorable hacia la disolución como lo encontramos en la tabla 21:

Tabla 21. Modificación de KPS con la temperatura para el cloruro de plata54.

Temperatura ( ºC) KPS 4,7 2,1*10- 11 9,7 3,7*10- 11

25,0 1,56*10- 10 50,0 1,32*10- 9

Esto significa que se requiere definir unas condiciones estándar para los valores de la KPS para poder compararlos; se establece la temperatura ambiente y una atmósfera de presión. 2.2.2 Efecto del ión común. Cuando a una solución de un compuesto en equilibrio con su soluto se le añade uno de los iones que libera, el otro disminuye su concentración para volver a mantener las condiciones de equilibrio iniciales. Ilustremos este caso con una solución de sulfuro de cobre (II):

CuS Cu2 + + S2 – Cuya constante de producto de solubilidad será:

KPS = [Cu2 +] [S2 -] = 6,0*10- 37 Calculamos la concentración de cada uno de los iones que se encuentran en solución como lo hicimos con un ejemplo anterior. El valor de la solubilidad molar será: 7,75*10- 19. Ahora, aumentemos la concentración de iones cobre hasta 10- 10, entendemos que se debe modificar el equilibrio ocasionando la disminución de los iones sulfuro, así: [Cu2 +] [S2 -] = 6,0*10- 37. Remplazando el nuevo valor de concentración de iones cobre: [1*10- 10] [X] = 6,0*10- 37, despejamos X = 6,0*10- 27. Concluimos que la adición de un ion común produce una disminución en la solubilidad de la fase sólida sin afectar el valor de la constante a esa temperatura. Este principio se usa en la química analítica para efectuar una precipitación cuantitativa de un ion de interés. No obstante, se debe tener cuidado ya que algunas sustancia en exceso del reactivo precipitante puede solubilizarse nuevamente al formar complejos. Veamos este otro ejemplo. ¿Cuál es la solubilidad del cromato mercúrico, en g/L, en una solución 0,1 M de cromato de potasio? Lo primero que hacemos es plantear la expresión de la constante de producto de solubilidad y establecer su valor:

Hg2CrO4 2 Hg+ + CrO42 –

KPS = [Hg+]2 [CrO4

2 -] = 2,0*10- 9 Si X es la concentración molar del cromato mercurioso inicialmente disuelto, 2 X será la concentración del ion mercurio (I) en la solución y 0,1 + X la concentración del ion cromato; estamos suponiendo que existe 54 RAMÍREZ, Bernal Inés de, y otros. Química analítica., p. 155.

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mayor concentración de cromato en la solución 0,1 M proveniente del aporte de la sal de cromato mercurioso ya disuelta. Remplacemos en la expresión de la constante de producto de solubilidad:

[2 X]2 [0,1 + X] = 2,0*10- 9 Si la desarrollamos nos encontramos con una ecuación cúbica, un poco compleja de resolver; no nos interesa el método matemático para hacerlo, por ello observando los valores de la constante, hallamos que el aporte por esta ionización inicial es realmente despreciable55 por lo que suponemos que [0,1 + X] ≈ [0,1]. Con esta aproximación resolvemos la ecuación así:

4 X2 = 2*10- 9/0,1 = 2,0*10- 8 Podemos calcular la raíz cuadrada a cada miembro de la ecuación:

2 X = 1,4*10- 4. Despejando X = 7*10- 5 M. Ahora transformamos a solubilidad sabiendo que el peso molecular del cromato mercurioso es 517,23 g/mol. El resultado final es: 3,6*10- 2 g/L. No olvide la importancia de efectuar el análisis dimensional para poder expresar adecuadamente el resultado. 2.2.3 Efecto del ion no común. Se presenta cuando en el equilibrio presente en la solución de una sal poco soluble se le añade otro electrolito con iones diferentes. La solución salina formada tiene propiedades diferentes a las del agua pura, pero se establece que los iones cargados modifican la velocidad de la reacción de cristalización; el exceso de cationes envuelve a los aniones desprendidos de la estructura cristalina del sólido y lo mismo ocurre con los aniones que son rodeados por el exceso de los cationes del electrolito disuelto, modificando el equilibrio aumentando la solubilidad del sólido en equilibrio con la solución, desplazando el valor de la constante de producto de solubilidad. Este efecto se llama efecto sal. Por ejemplo, si al yoduro de mercurio (HgI2) se disuelve en una solución de cloruro de potasio y en otro recipiente se le disuelve el yoduro mercúrico en una solución de sulfato de potasio, encontramos mayor concentración disuelta en éste último debido a que la proporción de cargas en las dos soluciones es diferente en proporción a las de yoduro de mercurio: en la primera la razón es uno a uno mientras que en la segunda es de dos a uno. 3. La técnica de la gravimetría. Estamos discutiendo este comportamiento, precisamente porque la gravimetría (del latín gravis que significa pesado) tiene como fundamento teórico este tipo de equilibrio; sustancias que se encuentran en solución pueden ser precipitadas añadiendo el elemento que les hace falta o cambiando las condiciones de estabilidad de la misma como lo vamos a discutir en seguida: 3.1 Condiciones. Los fundamentos de estas técnicas se establecieron en el siglo XIX, al observar los cambios que ocurrían en la masa al transformar una sustancia en otra y comprende una gran variedad de métodos basados en la determinación de un determinado peso de un analito o especie analizada. Como esta determinación se hace en una balanza de buena exactitud, estos métodos son los más exactos de la química analítica. El procedimiento que se sigue en estas técnicas, en líneas generales, comprende al menos tres etapas:

Figura 7. Etapas de un análisis gravimétrico.

55 Si usted efectúa el calculo de la solubilidad encuentra que es de 8,7*10- 4 M para el ion cromato proveniente del cromato mercurioso, luego es válida la aproximación.

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El material de origen puede ser un sólido o un líquido y que contiene en cantidad suficiente el componente analítico de interés, de donde se toma una muestra exactamente medida. El tratamiento químico corresponde a la aplicación de una técnica debidamente probada y que permite la extracción del componente analítico de interés y su transformación en un compuesto medible mediante su masa en las condiciones del laboratorio. El compuesto obtenido finalmente contendrá en su composición o será el elemento analítico de interés proveniente únicamente de la muestra, el cuál podrá después ser relacionado con la muestra de origen y establecer las proporciones en las cuales el analito determinado se encuentra en ella. Cada método gravimétrico tiene sus propios problemas técnicos, condiciones especiales de acuerdo a las transformaciones químicas utilizadas, es necesario indagar previamente en la literatura sus detalles, procedimientos y equipos utilizados con el fin de obtener resultados reproducibles y comparables con los usualmente reportados. 3.2 Métodos. Las técnicas que se suelen emplear en la determinación de analitos de interés las podemos agrupar en tres:

• Electrodeposición. • Precipitación. • Volatilización.

3.2.1 Técnicas de electrodeposición. El analito de interés es un metal y se deposita de su solución mediante su deposición en el cátodo de una celda electroquímica inerte, mediante la aplicación de una determinada cantidad de corriente en un tiempo determinado. El análisis simplemente se reduce a pesar el electrodo antes de la reacción y después de la reacción luego de limpiarlo y secarlo cuidadosamente; es un método rápido y muy sencillo que requiere observar las condiciones en que se debe efectuar la electrodeposición. No ahondaremos más en el asunto ya que en el campo de los alimentos esta técnica no tiene ningún interés. 3.2.2 Técnicas de precipitación. Son los procedimientos más utilizados y que generalmente identifican a la gravimetría. Las condiciones en que se deben efectuar este tipo de análisis son:

• La reacción de precipitación debe tender, principalmente, a la formación del precipitado; por ello se necesita conocer las condiciones que favorecen el desplazamiento del equilibrio de la reacción hacia el analito de interés.

• La solubilidad del precipitado, en la solución madre, debe ser de una magnitud tan pequeña que la cantidad de componentes que queden en la solución, sea despreciable en comparación con la cantidad total original de dicho componente que el método no la puede detectar.

• El precipitado debe ser puro o tener un grado de pureza conocido o ser fácilmente transformado a otra especie más pura al momento de efectuar la medición final.

• El precipitado debe tener una forma física adecuada, de tal manera que sus partículas tengan un tamaño apropiado para facilitar operaciones de recuperación, lavado y secado al momento de disponer de la especie final para determinar su masa.

MUESTRA CON EL COMPONENTE A SER

ANALIZADO.

TRATAMIENTO QUÍMICO ADECUADO

MODIFICACIÓN QUE PUEDE SER PESADA Y RELACIONADA CON EL COMPONENTE DE INTERÉS.

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Para comprender mejor las anteriores exigencias, es necesario que revisemos el proceso de precipitación y las condiciones a tener en cuenta en la formación de los precipitados y el tratamiento posterior al que se someten para establecer la forma más adecuada del analito en la determinación final de su masa. En todo proceso de precipitación, el tamaño final promedio de las partículas, naturaleza y pureza depende de tres factores principalmente:

• Las condiciones en las que se efectúa la precipitación. • Las características de las sustancias precipitantes. • El tratamiento posterior del precipitado.

Recordemos que el producto ideal de este tipo de análisis debe ser muy insoluble, fácilmente filtrable, muy puro y de composición conocida y constante. Si logramos disolver nuestra muestra o si ya la disponemos en solución, debemos reunir las condiciones adecuadas para precipitar el analito. Cuando discutíamos el fenómeno de solución encontramos que existe un límite de solubilidad dependiendo de la concentración y la temperatura donde hallaremos un valor máximo donde ya no se disuelve más sustancia; al alcanzar esa condición nuestro sistema se denomina solución sobresaturada y si se modifica comienza a establecerse un equilibrio con la fase sólida no disuelta. Nuestras técnicas deben garantizar alcanzar dicha condición para que comience a formarse el precipitado de interés. El análisis de tal fenómeno comprende dos situaciones: alcanzar la condición de sobresaturación y el logro de la nucleación al interior de la solución para comenzar la cristalización del sólido. Estos núcleos son partículas de sólidos muy pequeñas generalmente formados por aglutinaciones de los mismos iones manteniendo una estructura cristalina definida para la sustancia y se estima que deben ser entre ocho y diez iones, luego comienza su crecimiento de manera caótica generando partículas coloidales de aspecto diverso, con tamaños comprendidos entre 1000 átomos y diámetros de 10- 7 cm. Si en la solución existen impurezas sólidas muy pequeñas56, pueden tornarse también en centros de nucleación. En la medida en que se deje en contacto las sustancias en reacción, los núcleos formados comenzarán a modificar su tamaño hasta precipitar, siguiendo este orden: Iones (10- 8 cm) → grupos de nucleación (10- 8 a 10- 7 cm) → partículas coloidales (10- 7 a 10- 4 cm) → partículas de precipitado (> 10- 4 cm). Dependiendo del grado de sobresaturación alcanzado, se aumenta proporcionalmente el número de núcleos. ¿Cómo podemos lograrlo? El crecimiento de las partículas se puede modificar mediante tres técnicas:

i. Elevar la temperatura de la solución para incrementar la solubilidad, reducir la sobresaturación relativa. A

ii. Agregar lentamente el agente precipitante, agitando vigorosamente evitando alta condiciones locales de alta sobresaturación en el punto en que el reactivo precipitante se mezcla con el analito.

iii. Utilizar volúmenes grandes de solución, de manera que las concentraciones de analito y precipitante sean bajas.

Lo anterior tiene sentido con el problema que se tiene al recuperar el precipitado. Si es un coloide, la dificultad es poderlo recuperar ya que pasa los papeles de filtro utilizados para su separación de las aguas madres, además de si queda algo retenido cuando se hace el proceso de lavado tendremos el fenómeno de las “partículas caminantes” que corresponden a coloides que se van desplazando con el líquido de lavado por fuera del papel de filtro. Esto lo podemos controlar mediante la floculación que consiste en eliminar las cargas que dan la estabilidad a los coloides inicialmente formados en el proceso de precipitación, para ello

56 Este “contratiempo” no se puede eliminar ya que el agua destilada y los reactivos utilizados no se encuentran libres de las partículas de polvo, pedazos microscópicos de vidrio y que en millones se encuentran suspendidas en las soluciones utilizadas o preparadas.

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recurrimos al efecto del ion común añadiendo un exceso medido del agente precipitante, modificando las condiciones de temperatura de la solución o dejando madurar los precipitados durante cierto tiempo57. Como podemos comprender, el éxito de la formación del precipitado y luego su separación y purificación dependen de las condiciones en que se aplica la técnica correspondiente, pero todavía no tenemos la garantía de que está completamente puro ya que puede incluir en su estructura cristalina otras partículas extrañas, adsorbidas a su superficie otras sustancias provenientes de los líquidos madre de cristalización o la inclusión de líquido madre dentro del floculo proveniente de un coloide. Suponemos que ya tenemos nuestro precipitado recuperado sobre un papel de filtro; nuestro esfuerzo es tratar de dejarlo lo más limpio de las aguas madres, sabemos que tenemos impurezas provenientes de dos fuentes las adsorbidas del líquido madre donde ha ocurrido la precipitación (son inclusiones) y las ocluidas dentro de la estructura cristalina del precipitado; luego el solvente utilizado para tal fin debe reunir como características:

• Alta solubilidad de impurezas y baja solubilidad de nuestro precipitado. • Sea un electrolito que impida la peptización58 del coloide recuperado. • Un electrolito que facilite el intercambio iónico para eliminar los iones absorbidos u ocluidos por el

cristal del precipitado. El éxito alcanzado depende de la forma de lavado, pero se debe tener en cuenta que estos deben ser numerosos y con pequeñas cantidades de solvente que con volúmenes más grandes. Si hay alguna disolución de precipitado se va a obtener la misma pérdida pero se garantiza que el precipitado se encuentra mucho más limpio de los contaminantes del líquido madre en el primer proceso que en el segundo. Por último tenemos que secar o transformar en otra sustancia más estable nuestro precipitado ya que en esta forma encontramos un sólido mucho más puro y que representa la cantidad de analito de interés buscado en la muestra inicial. Esto porque estamos ya efectuando la determinación como tal, es decir, la medición del peso de analito obtenido, el secado normalmente se hace a temperaturas de 100 ºC para eliminar el solvente de lavado y se puede determinar una vez frío el peso que tiene, finalizando la experiencia. Pero si este residuo no cumple todavía con la condición de ser un compuesto de composición constante y conocida, necesariamente se tiene que transformar en otro que realmente cumpla esa condición por ello se recurre a la calcinación ya que los óxidos obtenidos suelen ser químicamente más estables y de composición conocida, aquí recurrimos a la mufla donde trabajamos temperaturas cercanas a los 1000 ºC donde la mayoría de sustancias inorgánicas se nos transforman en óxidos. 3.2.3 Técnicas de volatilización. Se fundamentan en la detección de la pérdida de peso o en la recuperación de masa mediante ciertos aditamentos y modificaciones químicas que recuperan las sustancias volatilizadas. Estas técnicas tienen mayor importancia en la industria de alimentos ya que permiten la cuantificación de compuestos de interés como es el caso de la humedad, cenizas y extracto etéreo como lo vimos en la actividad uno de la anterior unidad. El otro se utiliza para determinar la composición elemental de sustancias orgánicas. Discutamos brevemente los fundamentos del análisis por combustión. Esta técnica se ha depurado tanto que se ha tornado en el paso obligado cuando se trata de la caracterización e identificación de nuevas sustancias y existe un equipo comercial para efectuar este análisis de rutina. 57 Este procedimiento se llama digestión, envejecimiento o maduración de Ostwald. Permite la redisolución de las partículas más pequeñas y su deposición en las estructuras cristalinas más grandes, aumentándolas y facilitando su recuperación en la filtración. 58 La peptización es la dispersión nuevamente del coloide al modificar las condiciones electrolíticas en que fue precipitado.

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Se pesa una determinada cantidad de la sustancia orgánica de interés, se calcina bajo atmósfera de oxígeno y los productos se pasan por catalizadores (como tela de platino, óxido de cobre, óxido de plomo y óxido de manganeso), los productos de esa combustión (bióxido de carbono, agua y otros óxidos) pasan por cámaras que hacen la retención selectiva de esas productos como agua en la cámara de pentóxido de fósforo, la de ascarita (asbesto con hidróxido de sodio) que recupera el bióxido de carbono. El equipo tiene una cámara que impide el acceso de bióxido de carbono y de agua desde el medio ambiente. Posteriormente se pesa cada cámara y la diferencia de peso permite establecer la proporción de carbono e hidrógeno de la muestra. La determinación del agua y volátiles en los alimentos es más sencilla; consiste en la determinación de la masa de la muestra, someter a calentamiento en una estufa por determinado tiempo y, luego de estar fría, volver a pesarla para cuantificar la diferencia de peso. Dicha pérdida equivale al agua y a los volátiles que perdió la muestra durante el análisis. Con respecto a la cuantificación del extracto etéreo, el proceso consiste en medir una cantidad de muestra seca y someterla a extracción con un solvente orgánico. El recipiente de recolección está previamente pesado, luego de efectuada la extracción, se evapora el solvente, se verifica que no existen residuos de vapor mediante secado del extracto que una vez frío de determina nuevamente la masa, la diferencia de pesos nos permite tener el dato para la cuantificación de la grasa que tiene dicho producto alimenticio. 3.3 Metodología en el análisis gravimétrico. En la unidad anterior discutimos cómo se debe obtener la muestra y las condiciones en que se debe almacenar para que mantenga sus características. Ahora vamos a utilizarla para efectuar la determinación analítica por gravimetría de algunos de sus componentes. Aquí explicaremos la secuencia de pasos general que tiene cada técnica haciendo la salvedad de lo comentado más arriba: es necesario recurrir a la literatura para establecer claramente la secuencia y condiciones en que se tiene que efectuar cada ensayo, especialmente para buscar su reproducibilidad y comparar los resultados obtenidos con otros ya publicados. Buscamos que usted tenga un conocimiento previo de los equipos a utilizar y las operaciones comunes que puede realizar para lograr una experiencia de aprendizaje significativa, de modo que pueda generar los criterios que requiere para ordenar e interpretar los resultados del análisis, propósito central de este curso. La figura 8 ilustra las operaciones comunes en cualquier tipo de análisis gravimétrico.

Figura 8. Operaciones seguidas en un análisis gravimétrico.

MUESTRA

DETERMINACIÓN DEL PESO DE LA ALÍCUOTA

PRECIPITACIÓN, ELECTRODEPOSICIÓN VOLATILIZACIÓN

FILTRACIÓN

LAVADO

SECADO Y/O CALCINADO

PESADO

RESULTADO FINAL

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La alícuota corresponde a una parte cuantitativa y representativa de la muestra que se conoce exactamente, es decir, que aunque desconocemos las proporciones de los elementos que la componen sabemos cuánta masa posee puesto que la hemos medido utilizando una balanza. En el laboratorio es posible utilizar la balanza mecánica y la electrónica. Sin embargo el principio fundamental es el mismo: comparar dos masas, una de ellas es conocida exactamente que sirve de referencia para establecer si son iguales, se establece un equilibrio que siempre busca un valor de cero, o para decidir que no son iguales y se sigue efectuando la comparación de que realmente están en equilibrio. Una vez logrado se efectúa la medida determinando cuál es la cantidad de masa que tiene el mismo peso. Esto porque las condiciones de la gravedad en el laboratorio se suponen homogéneas. No se describe la diferencia de los dos tipos de balanza y se deja en la inquietud del estudiante por conocerla. Mencionaremos tres factores a tener en cuenta en su uso: la sensibilidad que poseen por la vibración, por lo que se deben instalar en mesas de mármol, la necesidad de efectuar la adición o sustracción de masa teniendo la balanza en freno o apagada para no afectar su sensibilidad, cuando se efectúa la determinación del peso y el cuidado de mantener las puertas de la balanza cerradas, para impedir el efecto de empuje aerostático por corrientes de aire externo o por diferencias de temperatura, requiriendo de las muestras tener la misma temperatura ambiente de la balanza. Lo anterior implica que la determinación de masas siempre se hace por diferencia ya que nunca se debe colocar la muestra a pesar sobre el platillo sino que se debe utilizar un vidrio de reloj, un pesa sustancias con tapa – especialmente si la muestra es higroscópica – o un pequeño vaso de precipitados los cuales deben estar limpios, secos y a temperatura ambiente. Se pesan primero vacíos escribiendo en el cuaderno de laboratorio su peso o masa y luego si con la cantidad de sustancia requerida. Si falta o sobra es necesario definir si realmente está en exceso o defecto para calcular la porción a añadir puesto que no es recomendable añadirla o quitarla estando la balanza en posición de máxima sensibilidad por la posibilidad de dañarle esta característica. Ya hemos mencionado los cuidados específicos a tener en cuenta durante la determinación analítica, simplemente que esas reacciones ocurren en vasos de precipitados y la agitación se efectúa con un agitador provisto de una pequeña banda de caucho, por ello también se le llama policía, que funciona para la homogenización rápida de los reactivos, la facilidad de trasvase del precipitado desde el vaso hasta el papel de filtro y los lavados efectuados para recuperarlo o para concentrarlo dentro del filtro de papel. El traslado del precipitado al papel de filtro requiere el montaje previo del equipo de filtración, que consta de un soporte universal, un aro metálico con nuez, un embudo de filtración de vástago largo y un vaso de precipitados seco. Como nos interesa recuperar el sólido nuestra atención se debe centrar en el embudo; para su recuperación se recurre a un papel de filtro que tiene unas características especiales tanto en su composición como en tamaño de poro. La técnica recomienda el tipo de papel requerido por lo que no vamos a detenernos describiéndolo, simplemente utilizamos el recomendado el cual se debe plegar y montar en el embudo para que calce perfectamente sin dejar burbujas de aire entre el papel y la pared interna, por ello se recomienda humedecerlo con agua destilada o el solvente de lavado utilizando un frasco lavador. La figura 9 esquematiza este proceso.

Figura 9. Montaje, plegado de papel y proceso de filtración.

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Si requerimos calcinar el precipitado para su transformación en otra sustancia más estable, es necesario hacer el traslado del papel conteniendo el precipitado cuidadosamente a un crisol de porcelana provisto de tapa y efectuar un primer proceso de secado y combustión de toda la materia orgánica que se tiene puesto que no es conveniente hacerlo en la mufla debido a la dispersión de los gases de combustión, desconociendo cuán tóxicos pueden ser y a que es poco estético observar en las paredes del equipo el carbón acumulado por la combustión incompleta, por ello se hace un tratamiento previo utilizando un trípode que tiene un triángulo de porcelana donde se coloca inclinado el crisol de porcelana, se le coloca la tapa dejando parcialmente destapado y se comienza a aumentar la temperatura hasta la combustión completa que se suspende cuando el fondo del crisol ha tomado color rojo. Como hay desprendimiento de gases, se recomienda efectuarlo en una vitrina y cuidando el aumento de temperatura para que no haya pérdida del sólido de interés por proyección debidas a diferencias de temperaturas localizadas. La figura 10 ilustra ese procedimiento.

Figura 10. Técnica de calcinación. Ya sea que la muestra se haya secado o calcinado, es necesario dejarla alcanzar la temperatura ambiente del laboratorio; al existir el riesgo de hidratación de la muestra, lo que afecta el resultado final, se suelen dejar dentro de un recipiente de vidrio llamado desecador que contiene dos zonas separadas por una placa de porcelana. En el fondo se encuentra un agente desecante que mantiene el interior a un nivel muy bajo de humedad, un espacio superior donde se coloca el pesa sustancia o el crisol de porcelana calientes, manipulados con una pinza para crisol, se tapa parcialmente para evitar vacío generado por el desplazamiento de cierto volumen de aire ocasionado por la diferencia de temperatura que dejaría relativamente sellado el equipo impidiendo su apertura ya que la boca y la tapa encajan perfectamente y para facilitar su movimiento se encuentra lubricada con grasa para desplazarla horizontalmente, no como hacemos con otro tipo de artefactos que tienen tapa. 3.4 Manejo de los datos y expresión de resultados. Las técnicas gravimétricas establecen ciertas condiciones en la manipulación de la muestra que incluye la preparación de soluciones concentradas a partir de las cuales se efectúan diluciones que se deben tener en cuenta, lo mismo que relaciones entre el analito determinado y el resultado final en que debe ser expresado, por ello es necesario tener en cuenta esos cambios y cómo están relacionados con las modificaciones efectuadas a la muestra y al analito determinado. Los cálculos más simples son los requeridos para las técnicas de electrodeposición y la de volatilización y calcinación puesto que únicamente se relacionan dos masas por diferencia y el cálculo final para expresar el resultado final. Ilustremos con el caso de determinación de humedad y volátiles en una muestra de alimento. Digamos que queremos determinar la humedad que tiene un lote de leche en polvo; efectuamos el dimensionamiento del

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lote, establecemos los criterios para determinar cuál es la cantidad de muestra requerida, la tomamos, homogenizamos, marcamos y llevamos cuidadosamente al laboratorio. Una vez allí medimos un peso definido por la técnica, dice que se pesen exactamente cinco gramos, luego la colocamos en una estufa a 105 ºC por una hora, pasamos al desecador y una vez fría la pesamos. El registro que llevamos en nuestro cuaderno de laboratorio tiene el siguiente aspecto:

Tabla 22. Determinación de la humedad de leche en polvo.

Leche en polvo: la vaquita risueña Número de lote: 3147 S -05-22-05 Fecha de recolección: 05-23-05 Peso de muestra: 200 g Método: Azar y tabla MS.

Determinación Ensayo 1 Ensayo 2 Peso de la pesa sustancia vacío. 5,3697 g 4,8627 gPeso de la pesa sustancia con leche. 10,2598 g 10,3785 gPeso de la pesa sustancia con leche seca. 8,9598 g 9,0102 g La técnica nos comenta que debemos reportar el resultado en porcentaje de humedad, luego debemos utilizar una fórmula sencilla para expresar dicho resultado: El resultado obtenido es: 25 � 1 %, teniendo en cuenta el tratamiento de datos definido en el capítulo anterior59. El otro caso, un poco más complejo considera tratamientos de la muestra que incluye diluciones y transformaciones a otras especies químicas más estables. En este caso es necesario considerar el factor de transformación volumétrico (relación de un volumen pequeño tomado frente a otro mayor) y el factor gravimétrico, cuando se hace una relación de masas entre especies químicas diferentes. Tomemos un ejemplo concreto del campo de los alimentos. Se desea determinar por gravimetría la cantidad de hierro que se encuentra en morcilla, mediante la precipitación del elemento como hidróxido férrico y su determinación como óxido férrico. La técnica consiste en pesar una determinada cantidad de la muestra (unos 20 g), su calcinación en medio de ácido sulfúrico concentrado para eliminar toda la materia orgánica posible, disolución de los óxidos en ácido nítrico, diluir a 100 mL y añadir hidróxido de amonio al 10 % hasta lograr la precipitación de todo el hidróxido de hierro, recuperar el precipitado sobre papel de filtro, lavar con agua caliente. Como puede tener algo de impurezas ocluidas, se disuelve en ácido clorhídrico al 15 %, se precipita nuevamente con hidróxido de amonio, se filtra y lava controlando que no haya cloruros en las aguas de lavado. Finalizado se calcina en una mufla entre 650 – 700 ºC, se enfría y pesa el residuo final. El resultado final se debe reportar como porcentaje de elemento hierro presente en la muestra. Los resultados que se obtuvieron en un análisis específico fueron:

Tabla 23. Determinación de hierro en morcilla.

Morcillas: el cerdo volador Número de lote: 0124 g -10-19-05 Fecha de recolección: 10-21-05 Peso de muestra: 200 g Método: Azar y tabla MS.

59 Debe analizar cuidadosamente los datos para aplicar la fórmula. Si mira los datos al final de la tabla, su diferencia permite establecer la pérdida de peso mientras que la diferencia de los dos primeros da la muestra tomada. Al final no olvide calcular el promedio y la desviación estándar previa aplicación de los criterios para aceptar o rechazar resultados estudiados en el tema cuatro de la primera unidad.

PORCENTAJE DE HUMEDAD

= PÉRDIDA DE PESO MUESTRA

100

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Determinación Ensayo 1 Ensayo 2 Peso de la pesa sustancia vacío. 10,5463 g 9,8999 gPeso de la pesa sustancia con muestra. 29,9025 g 29,4663 gPeso del crisol. 5,6892 g 6,0234 gPeso del crisol con óxido férrico. 5,7016 g 6,0360 g Lo primero que hacemos es verificar la forma en que debemos reportar el análisis, normalmente estos resultados se expresan en mg/100 g de muestra, para el elemento hierro60. Luego escribimos el esquema de transformación del elemento hierro desde su fuente original; como lo sabemos, el hierro en seres vivos superiores está asociado a la hemoglobina, proteína presente en la sangre siendo necesario efectuar su mineralización mediante digestión ácida y calcinación que nos lo lleva hasta óxidos, luego solubilizamos todo el hierro en la forma de ión férrico (Fe3 +) mediante su digestión con ácido nítrico concentrado, posteriormente se precipita de allí como hidróxido férrico como una forma de purificación y nuevamente se lleva a óxido férrico forma en la cual se determina gravimétricamente. Podemos efectuar el seguimiento de reacciones, pero finalmente nos interesa es:

FeORGÁNICO → Fe2O3 → Fe Para efectuar los cálculos tenemos que hacer consideración sobre una expresión que permite resolver más rápidamente la transformación de elementos, como en nuestro caso el paso de óxido férrico a hierro elemental en el establecimiento de las proporciones finales en las que se debe expresar el resultado, esta expresión se conoce como el factor gravimétrico. Los principios que permiten su obtención corresponden a la constancia en la composición de las sustancias y a las relaciones ponderales o estequiométricas entre las reacciones químicas, permitiéndonos considerar las siguientes reglas para su obtención:

• En el cálculo solamente intervienen la sustancia cuyo peso se busca y el compuesto cuyo peso se conoce, sin considerar ninguno de los productos intermedios.

• El peso atómico o molecular de la sustancia buscada se coloca siempre en el numerador y el de la sustancia conocida en el denominador.

• El número de moléculas de cada una de las sustancias relacionadas debe ser tal que contenga el mismo número de átomos a los referidos en el análisis.

En nuestro caso, la ecuación simplificada nos permite establecer el factor gravimétrico a utilizar, sabiendo que la sustancia desconocida es el hierro y la conocida el óxido férrico, luego la proporción, en masas moleculares, será: En la misma forma es posible establecer una relación entre las masas definidas para la muestra y la expresión final de los resultados, de modo que podemos derivar una ecuación que nos permite alcanzar el resultado esperado: Desarrollándola con los datos de la tabla 23, tenemos como resultado final: 44,92 � 0,17 mg de hierro en 100 g de morcilla.

60 MINISTERIO DE SALUD, Instituto Colombiano de Bienestar Familiar. Tabla de composición de alimentos colombianos. 6 ed. Bogotá, I.C.B.F. 1992, p. 89.

2 Fe Fe2O3 FACTOR GRAVIMÉTRICO =

mg Fe =

100 g

2 Fe 100 g Masa Fe2O3 1000 mg/g Fe2O3 Muestra

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La recomendación es recurrir a los textos recomendados en la guía para desarrollar la suficiente destreza para poder resolver este tipo de transformaciones que pueden parecer muy engorrosas. No olvidar las recomendaciones establecidas para el factor gravimétrico, ni descuidar las relaciones que se deben establecer con lo datos encontrados en el laboratorio o reportados en los mismos ejercicios.

ACTIVIDAD PRÁCTICA 5

1) Explique, con base en las reglas de solubilidad en el agua, cuáles de los siguientes compuestos son solubles o no en dicho solvente:

Compuesto Color Solubilidad

1 K3[Fe(CN)6] Amarillo 2 K2PtCl6 Amarillo 3 (NH4)2S2 + (NH4)2S4 + (NH4)2S5 Amarillo 4 AgAsO2 Amarillo 5 AgO2 Café a negro 6 PbS Café a negro 7 HgCrO4 Rojo

8 Hg2I2 Verde opaco 9 BiI3 Café a negro 10 (BiO)2Cr2O7 Amarillo

2) Elabore un mapa conceptual que relacione solubilidad, solvatación, equilibrio químico, constante de producto de solubilidad y las unidades de expresión utilizadas tanto en soluciones como en constante de producto de solubilidad.

3) Escriba las constantes de producto de solubilidad de las siguientes sustancias y el valor numérico de

las mismas:

Hidróxido de aluminio, sulfuro cúprico, carbonato de bario, tiocianato cuproso, oxalato de bario, sulfuro férrico, sulfuro de bismuto, yodato de plomo, fluoruro de calcio, cloruro mercurioso.

4) Ordene de mayor a menor la solubilidad que tienen estas sustancias solubles en agua:

Sulfuro de zinc, sulfato de estroncio, sulfuro de plata, sulfuro de níquel, oxalato de magnesio61, fluoruro de plomo, sulfuro ferroso, Bromuro cuproso, cromato de calcio y carbonato de bario.

5) Calcule el valor de KPS para las siguientes sustancias, utilizando el valor de su solubilidad:

Sulfato de plata (1,8*10- 2 M), bromuro de plata (0,11 mg/L), yodato de plomo (1,0*10- 2 g/L para el ion yodato), fluoruro de bario (7,5*10- 3 M), sulfato de calcio (1,1 mg/mL) y fluoruro de calcio (0,016 mg/mL).

6) La sal BC se disuelve en agua hasta alcanzar el equilibrio:

BC B+ + C- + ∆H

61 Las KPS del oxalato de magnesio es 8,6*10- 5, del cromato de calcio corresponde a 2,3*10- 2 y del carbonato de bario 8,1*10- 9; el resto las encuentra en la tabla 20.

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Explique qué ocurre cuando: Se le adiciona calor, se enfría la solución, se le añaden 3,6 g de una sal DC y se le agregan 3,8 g de otra sal AX.

7) Pronostique qué le ocurre a la solubilidad del sulfuro de mercurio (I) cuando a su solución saturadas adicionamos las siguientes sales: cloruro de sodio, sulfato de sodio, nitrato de sodio y cloruro de amonio.

8) Elabore una monografía sobre la balanza analítica, explicando su principio, los factores que afectan

su precisión y exactitud, los cuidados que se deben tener con ellas y cómo se puede calibrar. En lo posible establezca ecuaciones matemáticas que muestren fácilmente las variaciones más significativas en la sensibilidad de estos equipos. Incluirla en su portafolio.

9) Complemente el trabajo anterior estableciendo la composición, clasificación de papel de filtro y otras

técnicas de filtración como son la de vacío, diferencia entre secado y calcinación (tener en cuenta equipo y diferencias de temperatura) y los cuidados que se deben de tener con el desecador, lo mismo que hacer un listado y definir las propiedades que debe tener un agente desecante. Incluir ese trabajo en su portafolio.

10) Resuelva los siguientes problemas:

Elabore los diagramas de flujo que ilustren el procedimiento seguido para determinar las cenizas en muestras como: fruta fresca, salchichón cervecero, jugo de tamarindo, arroz, plátano, papa. ¿Cuál es el peso del azufre contenido en 8,9576 g de sulfato de bario? Se pesan 1,2050 g de un fluoruro soluble el cual se precipita como CaF2, pesando 0,5953 g. ¿Cuál es el porcentaje de fluoruro que tiene la muestra? En el análisis de un fertilizante, se encontraron los siguientes resultados:

Peso de muestra: 0,5000 gPeso cápsula + muestra: 10,4580 g Peso cápsula + muestra seca: 10,3795 gPeso crisol tarado + muestra: 8,7500 gPeso crisol tarado + cenizas: 8,7155 g

Calcule los porcentajes de humedad y de cenizas que tiene la muestra analizada. Establezca los factores gravimétricos en cada uno de los siguientes casos:

Pasar de: A: AgCl KClO4

KClO4 K2O (NH4)2PtCl6 NH3

Mn3O4 Mn2O3 Cu2(SCN) HSCN

BaSO4 Ba Nb2O5 Nb

Mg2P2O7 MgO KClO4 K2O Fe3O4 Fe2O3 CaCO3 Ca

Fe(OH)3 Fe Au(OH)3 Au Pt(OH)2 Pt

SnO Sn

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ZnS Zn

11) Para analizar un compuesto que contiene calcio, se pesaron exactamente 2,0000 g, se disolvieron a un volumen final de 500 mL. Se tomó una alícuota de 150 mL precipitándose cuantitativamente como hidróxido de calcio, se calcinó hasta obtener óxido de calcio cuyo peso fue de 0,0850 g. ¿Cuál es el porcentaje de CaO y Ca que tiene la muestra?

12) Un mineral contiene magnesio, se le tomó una muestra de 4,0000 g, se disolvieron hasta un volumen

exacto de 750 mL, luego se midió una alícuota de 200 mL, precipitándose cuantitativamente como hidróxido de magnesio, posteriormente se calcinó hasta óxido de magnesio obteniendo un peso de 0,9875 g. Calcule el porcentaje de magnesio que posee el mineral.

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TEMA 2.

VOLUMETRÍA Segundo conjunto de métodos analíticos clásicos basados en la medición de volúmenes. Se relacionan con la gravimetría para poder establecer con exactitud la concentración de las sustancias a utilizar como elementos de comparación en la determinación de una sustancia desconocida, mediante la comparación de volúmenes. Esto significa necesariamente que los dos compuestos se encuentran en solución. 1. Conceptos. El análisis volumétrico o titulométrico comprende técnicas de medición del volumen del reactivo requerido (titulante) para que reaccione exactamente con todo el analito (sustancia desconocida y que se desea conocer su cantidad) presente en un volumen exactamente conocido de la solución. Las condiciones que requiere un sistema para ser analizado por estas técnicas son:

La reacción involucrada debe ser estequiométrica, es decir que se conozcan los cambios entre reactivos, los productos y las proporciones que se dan entre ellos.

Debe ser rápida, es decir que se transforme en el menor tiempo posible en los productos de la reacción.

Permita la detección del punto final de la reacción, es decir, cuando se ha acabado el reactivo limitante, que correspondería a la concentración del analito.

Se complete totalmente, de modo que no quede analito sin determinar; esto significa la necesidad de añadir un exceso medido de titulante para garantizar que la concentración del analito remanente no sea detectable en las condiciones del ensayo.

Los métodos volumétricos requieren disponer de una sustancia patrón, que en algunos casos puede ser parte de la solución titulante, siempre y cuando cumpla con los siguientes requerimientos:

Tener una composición exactamente conocida y de fácil obtención. Su pureza debe ser muy alta o cercana al 100 %. Mantener su estabilidad en las condiciones del ensayo (no ser afectada por la gravedad, la

temperatura, la humedad o la luz). Muy soluble en el solvente utilizado, generalmente agua destilada. Con alto peso molecular, de modo que su peso equivalente también lo sea.

En la mayoría de procedimientos analíticos, el titulante no es un estándar primario pero se ha podido establecer por convención la posibilidad de determinar con exactitud su concentración mediante la determinación del punto de equivalencia entre el estándar primario y la concentración real del analito, utilizando la misma técnica solo que se establece una relación entre masa y volumen empleando unidades químicas como la Molaridad y la Normalidad. Este procedimiento se llama estandarización y permite obtener una solución estándar, es decir, una solución que contiene una concentración exactamente conocida de la sustancia activa.

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Por lo general, los sistemas analíticos utilizados en estas técnicas no permiten visualizar directamente el cambio estequiométrico requerido por lo que se necesita la adición de los indicadores. Estos son sustancias que tiene una propiedad física (generalmente el color) que cambia al modificarse las condiciones que se dan en el punto de equivalencia: ha desaparecido el analito o hay un exceso de titulante. Determinar el punto de equivalencia es el secreto de la exactitud de esta técnica, por lo que exige del analista un suficiente entrenamiento y experiencia para detectar cuándo ocurre el cambio generando lo que se llama como error de titulación; sin embargo se ha establecido técnicas que ayudan a su minimización como son la titulación de un blanco (un volumen equivalente al de la alícuota sólo que sin el analito pero que contiene una cantidad igual del indicador, permite establecer el volumen de titulante requerido para efectuar el cambio en el indicador conforme a la destreza del analista y que se suele restar del volumen final de la titulación con la muestra). El procedimiento de comparación de la solución valorada con una alícuota de la solución con el analito, se denomina titulación directa que auxiliados con un indicador apropiado nos permite determinar los volúmenes equivalentes. En otros casos, cuando no es posible disponer de un indicador apropiado que nos ayude a la detección del punto de equivalencia, se añade un exceso medido de la solución estandarizada y con otra medimos cuidadosamente el exceso, este proceso se denomina titulación por retroceso. En la parte experimental del curso tendremos la oportunidad de entrenarnos en el uso de las dos técnicas. 2. Fundamentos de la titulometría. Como lo mencionamos arriba, se trata de establecer comparaciones de volúmenes de una solución de analito (A) con los de una titulante (T) para alcanzar una estequiometría definida por una ecuación que podemos escribir así:

A + T → P + D Debemos considerar la posibilidad de un equilibrio químico, pero añadimos un exceso muy pequeño para poder completar la reacción o llevarla a concentraciones que no son posibles detectar por el método. Imaginemos el procedimiento para efectuar el análisis; inicialmente tomamos un volumen VA del analito, denominado alícuota, el cual aparece en una concentración CA que no conocemos, luego la cantidad de analito que disponemos, se puede representar por la ecuación:

VA CA = Cantidad de A Cuando comenzamos la titulación, es decir añadimos volúmenes conocidos del titulante, comienza a disminuir la concentración de A por lo que podemos establecer la siguiente expresión matemática:

VA CA – VT CT = Cantidad de A Como es necesario tener en cuenta el volumen final, es necesario efectuar una corrección por dilución a la anterior ecuación por lo que quedaría:

Esto significa que existirá una zona de lento incremento de la concentración de titulante porque no podemos despreciar el efecto del equilibrio, puesto que todavía no hemos añadido ningún exceso y es posible que el producto del analito con el titulante se descomponga. Cuando hemos alcanzado el punto de equivalencia, el numerador de la anterior ecuación tiende a cero, por matemáticas sabemos que en toda función se puede hallar una pendiente, la cual a medida que se alcanza ese punto de equivalencia adquiere su máximo valor. Pasado, la pendiente comienza a disminuir porque empieza

Cantidad de A =

VA CA – VT CT VA + VT

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a predominar excesos de titulante. Cuando analicemos las técnicas de titulación potenciométrica podemos hacer evidente lo que hemos discutido aquí. Lo más importante que tenemos que comprender en esta discusión es el cambio de concentración establecido por la adición continua de volúmenes medidos del titulante, la condición de equilibrio que se presenta en la reacción del analito con el valorante y el efecto de dilución que se obtiene en la concentración final de las especies implicadas en el cambio químico, como lo podemos deducir del concepto de soluciones y de su concentración como se estudió en su curso de Química General. Para comprender mejor lo anterior, establezcamos las condiciones de la volumetría en términos de comparar cantidades de sustancias. Sabemos que la concentración de una sustancia la podemos establecer en unidades físicas (gramos) y en unidades químicas (moles y equivalentes) en referencia al volumen del soluto o de la misma solución como lo encontramos en el tema anterior. Si ello es claro, podremos comprender las siguientes relaciones volumétricas que ayudan en la resolución de los cálculos: Número de moles = masa (g)/Peso Fórmula (P.F.); Número milimol = mg/P.F. Molaridad (M) = mol/L = mmol/mL Número de moles de A = VA MA Si tengo la reacción química hipotética:

a A + b B p P + d D Puedo establecer relaciones estequiométricas entre ellos conforme a sus coeficientes estequiométricos así: No moles de B/No moles de A = b/a = R. Luego: No mol B = No mol A (R) = VA MA (R) y masa de B (g) = VA MA (R) P.F.B Ahora tenemos que no solamente se puede establecer una relación de masas teniendo en cuenta sus pesos moleculares (o peso fórmula), sino que es posible hacerlo teniendo en cuenta el cambio químico que ocurre. Con este concepto es más fácil comprender el significado del punto equivalente porque estamos estableciendo relaciones de cambio entre especies con carga (hidronios, hidroxilos, protones) y cambio de electrones; para ello debemos observar la ecuación implicada para definir ese cambio. Por ello nació la Normalidad, establecida como la relación del peso equivalente en un determinado volumen: Normalidad = No Equivalentes por litro de solución = Eq/L y el equivalente se determina por la relación del peso molecular con el número de cargas o de electrones cambiado en la reacción química: Eq = P.F./No H+, OH-, e- cambiados. No equivalentes = g/Eq. No miliequivalentes = mg/mEq. No EqA = VA NA y No EqB = VB NB. En el punto de equivalencia tenemos:

No EqA = No EqB Por lo que:

VA NA = VB NB Podemos, entonces, establecer estas otras relaciones: Masa de B = gB = VA NB EqB; %B = (gB/masa muestra) 100; %(P/V) = (gB/Volumen muestra) 100. Más adelante tendremos la oportunidad de utilizarlas para resolver problemas; por ahora el reto es que usted verifique si son correctas o no, recurriendo a sus conocimientos de Química General y comprobándolo en su pequeño grupo de aprendizaje colaborativo o con su tutor(a).

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3. Clases de análisis titulométricos. Se consideran cuatro a saber: ácido – base, de precipitación, Redox y complejométricas. Vamos a revisar los fundamentos y aplicaciones de cada una de ellas. 3.1 Volumetría ácido – base. En sustancias que tienen la propiedad de ceder o aceptar protones, o de interactuar con el solvente para generar especies provenientes de este intercambio. Como el solvente más utilizado es el agua, estudiaremos su comportamiento, la fuerza de los ácidos y las bases y la hidrólisis de sales. Usaremos la definición de Bronsted – Lowry: un ácido es la especie química que tiene tendencia a perder o a donar un protón, mientras que la base es la sustancia que tiende a aceptar o a recibir dichos protón. En todo equilibrio ácido – base se encuentran ácidos y bases conjugadas de las sustancias inicialmente en interacción:

CH3COOH + H2O CH3COO- + H3O+ Ácido Base Base conjugada Ácido conjugado

NH3 + H2O NH4OH + H+ Base Ácido Base conjugada Ácido conjugado En estos ejemplos encuentra un doble papel para el agua: actúa como ácido o como base, sin embargo esta propiedad no la exhibe frente a otras sustancias sino que en ella misma ocurre este cambio químico al que se denomina autoprotólisis:

H2O + H2O H3O+ + OH- Ácido Base Ácido conjugado Base conjugada 3.1.1 Autoprotólisis del agua. El agua tiene una propiedad que le ha definido su capacidad como solvente universal: la posibilidad de establecer enlaces de hidrógeno ya sea con sustancias orgánicas o inorgánicas, su autoprotólisis le confiere la capacidad ambivalente de ser ácido o ser base y la interacción con algunas sustancias de carácter iónico le permiten modificar su conductividad eléctrica. Desde el punto de vista del equilibrio químico, podemos expresar la constante de equilibrio para esta reacción así: Si remplazamos teniendo en cuenta que trabajamos con un litro de solución para hallar su molaridad, encontramos que el denominador es muy grande y casi constante (55,6 g/mol) por lo que podemos integrar la ecuación anterior así:

KEQ(55,6)2 = [H3O+] [OH-] = KW Esta expresión de equilibrio se denomina constante del producto iónico del agua, que a temperatura ambiente tiene un valor de 1*10- 14, de donde deducimos que en el agua pura la concentración molar de los iones hidronio y de los iones hidroxilo es de 1*10- 7:

[H3O+] [OH-] = 1*10- 14

[H3O+] = [OH-] = 1*10- 7 En soluciones diluidas el producto iónico es el mismo que para el agua pura a una temperatura dada. Es decir, al solubilizar sustancias en agua, las concentraciones de los iones hidronio e hidroxilo pueden cambiar pero el producto iónico se mantiene constante.

KEQ = [H3O+] [OH-] [H2O]2

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Para ilustrar lo anterior, es necesario el estudio de otro concepto como lo es la fuerza de los ácidos y las bases. 3.1.2 La fuerza de los ácidos y las bases. Conforme al concepto de Bronsted – Lowry, encontramos que un protón no existe solo en solución sino que se asocia a la base, en nuestro caso al agua para formar el hidronio (H3O+); la mayor o menor facilidad de ceder o recibir un protón determina la fuerza de estas sustancias. Así, los ácidos y las bases fuertes lo ceden o reciben fácilmente, mientras que los considerados ácidos y bases débiles lo hacen muy lento y hasta cierto límite estableciendo un equilibrio químico donde identificamos un par de ácidos – ácidos conjugados y de bases – bases conjugados como lo habíamos encontrado más arriba. El fenómeno de disociación de un ácido o una base implica la modificación de las características electrolíticas del agua, un ácido o base fuerte se disocia completamente aumentando la capacidad de transportar corriente eléctrica, mientras que los ácidos y bases débiles sólo aumenta un poco esa propiedad del agua, pudiendo demostrar el fenómeno de disociación de esas sustancias. La disociación de los ácidos y las bases débiles es una reacción reversible que se puede representar:

MA [M+] [A-] Su ecuación de equilibrio químico será: Recordemos que la expresión de la concentración de las sustancias en equilibrio corresponde a molaridad, es decir, moles/L. En la naturaleza existen sustancias clasificables como electrolitos débiles como la sangre, la leche, los jugos de fruta, los jugos digestivos; el control de la concentración del ion hidronio en el protoplasma vivo es un mecanismo de equilibrio de electrolito débil, semejante al aquí estudiado. Los ácidos y las bases monopróticas débiles son sustancias que al disolverse en agua pierden o ganan un protón, hasta alcanzar un equilibrio químico de poca extensión, como ocurre con los ácidos fórmico, acético y láctico o con el amoniaco:

CH3COOH + H2O CH3COO- + H3O+

NH3 + H2O NH4+ + OH-

Las constantes de equilibrio son: Las constantes de disociación del ácido (Ka) y de la base (Kb) representan el equilibrio del electrolito débil con valores a 25 ºC y una atmósfera de presión en la tabla 24; incluimos en ella el valor de la concentración del agua debido a que su concentración se mantiene constante por lo que la ecuación de la constante de disociación queda simplificada a los reactivos y productos provenientes de la especie ácida o básica estudiada.

KEQ =

[M+] [A-] [MA]

Ka =

[CH3COO-] [H3O+] [CH3COOH] Kb =

[NH4+] [OH-]

[NH3]

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Tabla 24. Constantes de disociación de algunos ácidos y bases débiles.

Ácido Fórmula Ka1 pKa1 Ka2 pKa2 Ka3 pKa3 Acético CH3COOH 1,75*10- 5 4,75 Acetil salicílico C9H8O4 3,49 Arsénico H3AsO4 5,8*10- 3 2,23 1,1*10- 7 6,95 3,2*10- 12 11,49Arsenioso H3SO3 5,1*10- 10 9,29 Benzoico C6H5COOH 6,28*10- 5 4,20 Bórico H3BO3 5,81*10- 10 9,23 Butanoico CH3CH2CH2COOH 1,52*10- 5 4,81 Carbónico H2CO3 4,45*10- 7 6,35 4,69*10- 11 10,32 Cianhídrico HCN 6,2*10-10 9,20 Cítrico HO2C(OH)C(CH2CO2H)2 8,4*10-4 3,08 1,8*10- 5 4,74 4,0*10- 6 5,4Cloroacético ClCH2COOH 1,36*10- 3 2,86 Fenol C6H5OH 1*10- 10 10 Fluorhídrico HF 6,8*10- 4 3,16 Fórmico HCOOH 1,8*10- 4 3,74 Fosfórico H3PO4 7,11*10- 3 2,14 6,32*10- 8 7,19 4,5*10-13 12,34Fosforoso H3PO3 3*10- 2 1,52 1,62*10- 7 6,79 Fumárico trans –

HOOCCH=CHOOH 8,85*10- 4 3,05 3,21*10- 5 4,49

Glicólico HOCH2COOH 1,47*10- 4 3,83 Hidrazoico HN3 2,2*10- 5 4,65 Hipocloroso HOCl 3*10- 8 7,52 Ion amonio NH4

+ 5,7*10- 10 9,24 Ion anilinio C6H5NH3

+ 2,51*10- 5 4,60 Ion dimetil amonio (CH3)2NH2

+ 1,68*10- 11 10,77 Ion etanol amonio HOC2H4NH3

+ 3,18*10- 10 9,49 Ion etil amonio C2H5NH3

+ 2,31*10-11 10,63 Ion etilén amonio +NH3CH2CH2NH3

+ 1,42*10- 7 6,84 Ion hidrazinio H2NNH3

+ 1,05*10- 8 7,97 Ion hidroxil amonio HONH3

+ 1,1*10- 6 5,95 Ion metil amonio CH3NH3

+ 2,3*10- 11 10,63 Ion piperidinio C5H11NH+ 7,5*10- 12 11,12 Ion piridinio C5H5NH+ 5,9*10- 6 5,22 Ion trimetil amonio (CH3)3NH+ 1,58*10- 10 9,80 Láctico CH3CHOHCOOH 1,38*10- 4 3,86 Maléico cis –

HOOCCH=CHCOOH 1,3*10- 2 1,88 5,9*10- 7 6,22

Málico HOOCCHOHCH2COOH 3,48*10- 4 3,45 8*10- 6 5,09 Malónico HOOCCH2COOH 1,42*10- 3 2,84 2,01*10- 6 5,69 Mandélico C6H5(CHOHCOOH) 4*10- 4 3,39 Nitroso HNO2 7,1*10- 4 3,14 o – Ftálico C6H4(COOH)2 1,12*10- 3 2,95 3,91*10- 6 5,40 Oxálico HOOCCOOH 5,6*10- 2 1,25 5,42*10- 5 4,26 Peróxido de hidrógeno H2O2 2,2*10- 12 11,65 Peryódico H2IO6 2*10- 2 1,69 5*10- 9 8,30 Pícrico (NO2)3C6H2OH 4,3*10- 1 0,36 Pirúvico CH3COCOOH 3,2*10- 3 2,49 Propanoico CH3CH2COOH 1,24*10- 5 4,87 Salicílico C6H4(OH)COOH 1,06*10- 3 2,97 Succínico HOOCCH2CH2COOH 6,21*10- 5 4,20 2,31*10- 6 5,63 Sulfámico H2NSO3H 1,03*10- 1 0,98 Sulfúrico H2SO4 Fuerte 1,02*10- 2 1,99

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Sulfhídrico H2S 9,6*10- 8 7,01 1,3*10- 14 13,88 Sulfuroso H2SO3 1,23*10- 2 1,91 6,6*10- 8 7,18 Tartárico HOOC(CHOH)2COOH 9,2*10- 4 3,03 4,31*10- 5 4,36 Tiociánico HSCN 0,13 0,88 Tiosulfúrico H2SO3 0,3 0,52 2,5*10- 2 1,60 Tricloroacético Cl3CCOOH 3 - 0,47 Yódico HIO3 1,7*10- 1 0,76 Observando la tabla anterior encontramos varios aspectos que debemos analizar un poco:

Existen ácidos que tienen más de una constante de ionización o de disociación en agua, éstos se llaman ácidos polipróticos. El grado de acidez depende de la facilidad que tienen de liberar el protón, por lo que los valores de las constantes de la segunda y tercera ionización reflejan esa característica comparada con la primera constante.

Se incluyen bases como el amonio y otras que en la tabla se identifican como iones, teniendo en cuenta el concepto de ácido – base conjugada.

Los valores de la constante de ionización son directamente proporcionales a la fuerza del ácido, entre más pequeño sea, menos se ioniza siendo, por lo tanto más débil.

Se presentan también valores de pKa, que corresponde al potencial de concentración de especies disociadas. Este concepto lo estudiaremos más adelante y comprenderemos su utilidad, especialmente en términos de comparación de esta propiedad química entre sustancias.

Para comprender el concepto del ácido o base politrópica, consideremos el caso de la ionización del ácido arsénico62:

H3AsO4 H2AsO41- + H+

La expresión de la constante de ionización será: Como existe otro protón para ceder, la ecuación de esta ionización será:

H2AsO41 - HAsO4

2 - + H+ Su constante de ionización será: Comparando los valores de las constantes, encontramos que esta es menor, siendo más difícil esta ionización. Ahora, describamos la ionización del tercer protón:

HAsO42 - AsO4

3 - + H+ La constante de ionización será: 62 Vamos a simplificar la expresión H3O+ por la de H+ en la representación del hidronio, pero haciendo la salvedad de que se encuentra hidratado.

Ka1 =

[H2AsO41-] [H+]

[H3AsO4]

= 5,8*10- 3

Ka2 =

[HAsO42-] [H+]

[H2AsO4

1 -] = 1,1*10- 7

Ka3 =

[AsO43 -] [H+]

[AsO4

3 -] = 3,2*10- 12

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La cual tiene el valor más bajo posible de las tres constantes indicando que el protón se encuentra mucho más ligado a la molécula que los otros dos. Sin embargo se puede lograr la ionización completa si modificamos la concentración de los hidroxilos de modo que ocurra la neutralización de toda la molécula y el desplazamiento del equilibrio. Revisemos nuevamente el equilibrio de autoprotólisis del agua:

2 H2O [H3O +] [OH -] = 1*10- 14 Encontramos que si [H3O +] = [OH -] = 1*10- 7, debemos buscar expresar estos valores de una manera más fácil para poderlos comparar, por ello, si recurrimos a las propiedades de los logaritmos y calculamos el logaritmo negativo para esta concentración encontraremos que es 7 y para la constante equivale a 14, por lo que físicamente podemos decir que la variación de la concentración molar de los hidronios va de 0 a 14 y de los hidroxilos de 14 a 0 para poder mantener el valor de la constante del producto iónico del agua: Por lo anterior, encontramos que el pH corresponde al logaritmo negativo en base diez, de la concentración de hidronios y pOH es el logaritmo negativo en base diez de la concentración de hidroxilos. Para efectos prácticos se prefiere trabajar con la primera escala, es decir la de pH: un valor bajo de pH indica una zona bastante ácida, a un valor de pH siete, se encuentra en la neutralidad ya que existe la misma concentración de iones hidronio y de hidroxilo, mientras que un alto valor de pH está indicando zona de alta basicidad o de ionización de las bases:

pH = - log [H3O+]

pOH = - log [OH-]

pH + pOH = 14 La misma expresión encontramos con los valores de las constantes de ionización de los ácidos y las bases débiles; si calculamos el valor del logaritmo negativo de K, encontramos un valor de pKa o pKb que nos permite también compararlas encontrando que las variaciones son inversas: a mayor valor de pK, esta menos ionizada como lo encontramos para cada una de ellas en el caso de la ionización del ácido arsénico: 2,23 para el pKa1, 6,95 para el pKa2 y de 11, 49 para el pKa3. Se puede establecer una relación interesante entre las constantes de disociación de un ácido débil con una base débil y el producto iónico del agua: Consideremos el equilibrio de disociación para el ácido débil:

AH + H2O A- + H3O+ Su constante de disociación es: Ahora veamos el equilibrio de disociación de una base débil:

Aumenta [OH-]

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

Aumenta [H3O+]

[A-] [H3O+] Ka = [AH]

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A- + H2O AH + OH-

Su constante de equilibrio es: Multipliquemos entre sí estas dos expresiones y simplifiquemos:

Ka Kb = [H3O+] [OH-] El miembro de la derecha corresponde al producto iónico del agua, cambiémoslo:

Ka Kb = KW Calculemos los logaritmos decimales a la anterior ecuación:

log Ka + log Kb = log KW Valores que nos recuerdan a pK; remplacemos:

pKa + pKb = pKW = 14 Expresión que nos permite hallar los valores de Kb para algunos iones que se han reportado como ácidos en la tabla 24 como es el caso del ion amonio, cuyo valor de Ka es de 5,7*10- 10, con un pKa de 9,24. Usando la anterior ecuación, encontramos que pKb = 4,76. Para hallar la concentración de hidroxilos aplicamos la ecuación:

[OH-] = 10- pKb = 1,74*10- 5. Ahora intentemos aplicar todo este marco teórico en la resolución de problemas de ionización de ácidos y bases: Si la constante de ionización del ácido acético es 1,75*10-5 ¿cuál es la concentración molar de hidronio en una solución 0,03 M? ¿Qué ocurre al equilibrio cuando se añade un mL de una solución de ácido acético 0,1 N? ¿Cuál es el pH y el pOH que presenta la solución final? Planteemos la ecuación de ionización:

CH3COOH CH3COO- + H+ Su correspondiente constante de disociación: Sabemos que la concentración inicial del ácido es 0,03 M; una vez alcanzado el equilibrio se habrá disociado una cantidad desconocida que representaremos por X, y que podemos remplazar como concentraciones en la constante de disociación:

= 1,75*10- 5Ka =

[CH3COO-] [H+] [CH3COOH]

= 1,75*10- 5Ka =

[X] [X] [0,03 - X]

[AH] [OH-] Kb = [A-]

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Despejando los valores correspondientes encontramos la siguiente expresión matemática que nos recuerda una ecuación lineal de segundo grado:

X2 + 1,75*10- 5 X – 5,25*10- 7 = 0 Se resuelve aplicando la ecuación general de solución, así:

X = 7,16*10-4 M Utilizamos únicamente el valor positivo de la resolución de la anterior ecuación ya que nunca en la naturaleza tendremos concentraciones negativas. La cantidad de ácido acético sin disociar será 0,03 – 7,16*10- 4 = 0,02928 M. Los resultados de estos cálculos deben ser de dos cifras significativas, ya que la exactitud de los valores de las constantes de ionización no los permiten; eso significa que los valores de la tabla 24 tienen estas cifras así solamente en algunos de ellos aparezca uno solo, lo que significa que se debe colocar el número cero. Ahora miremos cuál es el comportamiento del equilibrio cuando añadimos un mL de HCl 0,1 N; la concentración de iones hidronio equivale a: (1 mL/1000 mL/L)(0,1 Eq/L) = 1*10- 4 Eq. El ácido clorhídrico es un ácido monoprótico fuerte, es decir se disocia completamente y su peso molecular equivale al peso equivalente por lo que la cantidad anterior equivale exactamente a 1*10- 4 M. Comparando los valores iniciales con los adicionados hallamos: [H3O]ACIDO ACÉTICO = 7,16*10- 4 M, y [H3O]ÁCIDO CLORHÍDRICO = 1*10- 4 M, siendo comparables y de la misma magnitud por lo que la cantidad total debería restarse, afectando el equilibrio reduciendo la cantidad de ácido acético disociado en la misma magnitud; luego la cantidad de ácido acético sin disociar sería: 0,02928 – 1 *10- 4 = 0,02918 M. Por último, el pH de la solución corresponderá al logaritmo negativo de la concentración de hidronios hallados:

pH = - log [7,16*10- 4] = 3,15 El pOH será: 14 – pH = 14 – 3,15 = 10,85. 3.1.3 Hidrólisis de sales. Una sal proviene de la reacción de un ácido con una base. Generalmente estos electrolitos se ionizan totalmente en soluciones acuosas produciendo los correspondientes aniones (iones con carga negativa) y cationes (iones con carga positiva), sin embargo ellos pueden interactuar con el agua para generar el ácido o la base que les dio origen, principalmente si provienen de sustancias con comportamiento ácido – base débil. Por ello se generan cinco grupos:

Sales de ácido y base fuertes. Sales de ácido débil y base fuerte. Sales de ácido fuerte y base débil. Sales de ácido débil y base fuerte. Sales que generan aniones dipróticos.

X =

- b � b2 - 4 a c 2 a

X =

- (1,75*10- 5) � (1,75*10-5)2 + 4 (1)(5,25*10- 7)

2 (1)

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Estudiaremos su comportamiento específico ya que modifican sustancialmente la acidez o la basicidad final de la solución. 3.1.3.1 Sales de ácido y bases fuertes. Corresponden a sustancias que provienen de ácidos fuertes como el clorhídrico y el nítrico o de la neutralización completa de otros como el sulfúrico principalmente que al disociarse en agua se ionizan sin modificar el pH final de la solución ya que no se hidrolizan.

HCl + NaOH → NaCl + H2O → Na+ + Cl- HNO3 + KOH → KNO3 + H2O → K+ + NO3

- 3.1.3.2 Sales de ácido débil y base fuerte. Provienen de la neutralización completa de ácidos débiles como el acético, cianhídrico, sulfhídrico, carbónico y otros que se ionizan parcialmente en agua con bases fuertes. La disolución de esas sales en agua afecta su producto iónico ya que regeneran nuevamente el ácido que sufre ionización parcial modificando el pH final de la solución.

CH3COONa + H2O → CH3COOH + NaOH

CH3COOH + H2O CH3COO- + H3O+ Esta situación es la que se denomina hidrólisis. ¿Cómo calculamos la concentración de iones hidronio en estas soluciones? Supongamos que tenemos una solución de acetato de sodio, para utilizar las ecuaciones químicas escritas arriba. Vemos que debe aumentar la concentración de hidroxilos para mantener el equilibrio iónico del agua, quedando la ecuación así:

CH3COO- + H2O CH3COOH + OH- La constante de equilibrio para esta reacción será: Simplificamos la anterior ecuación al incluir en la constante de equilibrio la concentración del agua debido a su cantidad, expresando la anterior ecuación como una constante de hidrólisis KH: Como en este equilibrio se afecta el producto iónico del agua, remplazamos el valor de la concentración de hidroxilos en la ecuación anterior por este:

KEQ =

[CH3COOH] [OH-] [CH3COO-] [H2O]

KH =

[CH3COOH] [OH-]

[CH3COO-]

[OH-] =

KW [H3O+]

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Quedando la constante de hidrólisis así: Observando la anterior ecuación, identificamos el recíproco de la constante de equilibrio de ionización del ácido acético, puesto que tiene la siguiente expresión:

[CH3COOH] / [CH3COO-] [H3O+] = 1 / Ka Remplazando en la constante de hidrólisis nos queda así:

KH = KW / Ka Según esta ecuación, la magnitud de la reacción de hidrólisis es directamente proporcional al producto iónico del agua e inversamente proporcional a la constante de ionización del ácido débil Por lo que la expresión de la constante de hidrólisis será: Ecuación útil para el cálculo del grado de hidrólisis de la sal. En la ecuación original de la reacción de la sal con el agua, encontramos que se produce un hidroxilo por cada molécula de ácido, luego podemos establecer que:

[CH3COOH] = [OH-] Sustituyendo en la expresión de la constante de hidrólisis tenemos: Podemos suponer que la sal se encuentra totalmente ionizada en la solución quedando que la concentración de la sal y del anión acetato son prácticamente las mismas, C, y que la extensión de la hidrólisis del acetato para transformarse en ácido acético es muy pequeña, casi despreciable que mantiene la misma concentración C definida anteriormente, por lo que nuestra ecuación quedará: Como necesitamos determinar la concentración de hidronios en la solución acuosa de la sal recurrimos nuevamente a la expresión del producto iónico del agua donde:

[OH-] = KW / [H3O+] Remplazando nos queda:

KH =

[CH3COOH] KW [CH3COO-] [H3O+]

[CH3COOH] [OH-]

[CH3COO-]

KW = Ka

[OH-]2

[CH3COO-]

KW = Ka

[OH-]2 =

C KW

Ka

(KW)2 = [H3O+]2

C KW

Ka

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Despejando la ecuación, tenemos como expresión final para el cálculo de la concentración de hidronios en la disolución de la sal de un ácido débil con una base fuerte, la siguiente: Se prepara una solución de acetato de potasio disolviendo 0,5 moles de la sal en un litro de solución. ¿Cuál es la concentración de hidronio, el grado de hidrólisis de la sal y el pH de la solución resultante? Identifiquemos los valores de las constantes que requerimos y la concentración de la sal: Ka = 1,75*10- 5 KW = 1*10- 14 C = 0,5 M. Calculemos la concentración de hidronios utilizando la ecuación que acabamos de deducir, dando como resultado:

[H3O+] = 5,9*10- 10 Ahora determinamos el pH, calculando el logaritmo negativo: pH = 9,2. Comprobamos que realmente hay una modificación sustancial en el producto iónico del agua, generando una solución de carácter básico. Ahora calculemos el grado de hidrólisis que ha ocurrido. Para ello planteemos la reacción de hidrólisis:

CH3COO- + H2O CH3COOH + OH- Planteamos la ecuación de hidrólisis: Por cada X moles de acetato que reaccionan se forman X moles de ácido acético y X moles de hidroxilo, por consiguiente: [CH3COOH] = [OH-] = X [CH3COO-] = 0,5 – X Remplacemos estos valores en la ecuación de hidrólisis: Comparando los valores de (0,5 – X) frente al valor de las dos constantes (5,7*10- 10) podemos efectuar una aproximación para resolver la ecuación cuadrática y es considerar a X muy pequeño dejando la expresión (0,5 – X) ≈ 0,5, como lo puede comprobar resolviendo la ecuación correspondiente. Desarrollando la ecuación anterior se obtiene un valor de X = [CH3COOH] = [OH-] = 1,69*10- 5 M. El grado de hidrólisis lo calculamos así:

[H3O+] =

KW Ka

C

[CH3COOH] [OH-]

[CH3COO-]

KW = Ka

1*10- 14

= 1,75*10- 5

[X] [X] [0,5 - X]

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%HIDRÓLISIS = (1,69*10- 5) 100 / 0,5 = 3,3*10- 3 = 0,0033 % Una magnitud bastante pequeña que justifica efectuar las aproximaciones que se realizaron anteriormente. 3.1.3.3 Sales de ácido fuerte y base débil. Como en el caso anterior, son sales que provienen del amonio y sus derivados. Reaccionan con el agua para producir un catión donador de protones por lo que las soluciones finales tienen pH ácido. Dentro de los metales tenemos a los iones hierro (III) y aluminio (III) que también presentan el mismo fenómeno:

NH4Cl + H2O HCl + NH4OH

NH4+ + 2 H2O NH4OH + H3O+

Al(H2O)6

3 + + H2O Al(H2O)5(OH)22 + + H3O+

Es necesario que deduzcamos una fórmula semejante al caso anterior para determinar cuál es la concentración de hidronio que aparece al final de la disolución de cierta cantidad de sal. Revisemos la reacción de hidrólisis de la sal de amonio:

NH4+ + 2 H2O NH4OH + H3O+

Su constante de hidrólisis será: Efectuando los reemplazos por producto iónico del agua y encontrando la expresión inversa de la constante de ionización de la base encontramos la siguiente expresión intermedia: Que al despejar nos da la siguiente ecuación útil para hallar la concentración del hidronio en las soluciones acuosas de estas sales:

[H3O+] = (KW / Kb) C ¿Cuál es la constante de hidrólisis para el cloruro de amonio si una solución 0,1 M tiene un pH de 5,13? Definamos los valores conocidos: C = 0,1 M. pH = - log [H3O+]. Despejando encontramos: [H3O+] = 10- pH = 7,41*10- 6 M. [H3O+] = [NH4OH] = 7,41*10- 6 M. Planteamos la ecuación correspondiente y su constante de hidrólisis:

NH4+ + 2 H2O NH4OH + H3O+

KH =

[NH4OH] [H3O+]

[NH4+]

[H3O+]2 = [NH4

+]

KW Kb

KH =

[NH4OH] [H3O+]

[NH4+]

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Remplazando valores encontramos el valor de KH, incluso asumiendo que la mayoría de la concentración del ion amonio es 0,1 M, debido a la escasa participación que tiene en la disociación.

KH = (7,41*10- 6)2 / 0,1 = 5,49*10- 10 3.1.3.4 Sales de ácido débil y base débil. Provienen de la neutralización completa de ácidos débiles con bases débiles como es el acetato de amonio y el cianuro de amonio por mencionar un ejemplo. La hidrólisis de estas sales producen cationes que se comportan como ácidos (donadores de protones) y aniones que lo hacen como bases (decepcionan protones), por lo que no es posible definir un tipo de pH en sus soluciones acuosas ya que pueden ser ácidas, neutras o básicas dependiendo de la fuerza relativa que tenga el anión o el catión. Como en los casos anteriores, vamos a deducir una fórmula que nos permita calcular la concentración de hidronios o hidroxilos en las soluciones correspondientes dependiendo de la concentración de las mismas. Utilicemos como sustancia ejemplo el acetato de amonio, que tiene las siguientes ecuaciones reversibles:

NH4+ + H2O NH3 + H3O+

CH3COO- + H2O CH3COOH + OH-

2 H2O OH- + H3O+

Las expresiones de las constantes de hidrólisis serán: Como la extensión de la hidrólisis de una sal depende de la fuerza relativa del ácido y de la base que participan, se divide el producto de las dos ecuaciones anteriores por la ecuación del producto iónico del agua, quedando la siguiente expresión: Simplificando tenemos: Las constantes de ionización del ácido y de la base son casi de la misma magnitud; si la sal está completamente ionizada se puede suponer que:

KW = KH = Kb

[NH3] [H3O]

[NH4+]

KW = KH = Ka

[CH3COOH] [OH-]

[CH3COO-]

KW KW (KW)2 KW Kb Ka = Kb Ka = = KH = Ka Kb KW KW

[NH3] [H3O+] [CH3COOH] [OH-]

[NH4+] [CH3COO-]

[H3O+] [OH-]

KW KH = = Ka Kb

[NH3] [CH3COOH] [NH4

+] [CH3COO-]

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[NH3] = [CH3COOH] = [NH4] = [CH3COO-] = C Remplazando y simplificando tenemos: Podemos remplazar la concentración de ácido acético a partir de la ecuación de ionización, quedando: Como [CH3COO-] = C, remplazamos y simplificamos hasta obtener finalmente la siguiente ecuación: El cálculo de la concentración de hidronios para una sal de ácido débil con base débil no depende de la concentración de la misma, es decir, el pH es independiente de la concentración de la sal. Calcule el porcentaje de hidrólisis, la concentración de iones hidronio y el pH de una solución 0,4 M de cianuro de amonio. Esta sal proviene de la neutralización del ácido cianhídrico con amoniaco, en la tabla 24 hallamos los valores de las constantes de ionización de dichas sustancias. Ka = 6,2*10- 10, para el ácido cianhídrico. Kb = 1,74*10- 5, para el amonio. KW = 1*10- 14, para el agua. Remplazamos en la ecuación final que encontramos para estas sales: [H3O+] = (KW Ka) / Kb = (1*10- 14)(6,2*10- 10) / 1,74*10- 5 = 5,97*10- 10. pH = – log [H3O] = 9,22. Para calcular el porcentaje de hidrólisis, recurrimos a la expresión de equilibrio de hidrólisis para esta sal: Para facilitar los cálculos y teniendo en cuenta la concentración final de las especies, podemos suponer que: [NH3] = [HCN] = X [NH4

+] = [CN-] = 0,4 – X. Remplazando en la ecuación de hidrólisis, tenemos:

KW [CH3COOH] = C Ka Kb

[H3O+] [CH3COO-] KW = C Ka Ka Kb

KW Ka [H3O+] = Kb

[NH3] [HCN] KW = = KH [NH4

+] [CN-] Ka Kb

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(X)2 / (0,4 – X)2 = 1*10- 14 / (6,2*10- 10)(1,74*10- 5) = 0,93. La X en el denominador es muy grande para descartarla debido al valor de KH. Se extrae la raíz cuadrada a ambos miembros de la ecuación para tener:

X / (0,4 – X) = 0,79; X = 0,79(0,4 – X) = 0,32 – 0,79 X Por consiguiente: 1,79 X = 0,32; X = 0,22 M. Ahora calculemos el porcentaje de hidrólisis

%HIDRÓLISIS = (0,22 / 0,4) 100 = 55,0 % 3.1.3.5 Sales que producen aniones dipróticos. Son un grupo de sales de ácidos débiles y bases fuertes que en solución son capaces de aceptar dos protones como es el caso de los carbonatos, fosfatos y sulfatos entre otros. Utilizamos como ejemplo para comprender el comportamiento de estas sales el carbonato de sodio Supongamos que tenemos una solución 0,5 M de carbonato de sodio y queremos hallar su pH y el porcentaje de hidrólisis. Las ecuaciones a considerar son:

NaCO3 → CO32 + + 2 Na+

CO3

2 + + H2O HCO3- + OH-

HCO3

- + H2O H2CO3 + OH- En estos sistemas interesa la primera ecuación de hidrólisis ya que el aporte de la segunda es muy pequeño. Lo importante es que al determinar el valor de la constante de acidez a utilizar, corresponderá a la segunda o a la tercera respectiva del ácido. En estas condiciones se nos alivia el trabajo del cálculo pues consideramos el sistema idéntico a uno de ácido débil con base fuerte y se puede utilizar la ecuación deducida para hallar el valor de la concentración de hidronios. Remplazando tenemos: [H3O+] = 9,69*10-3; pH = 12,01. Para hallar el porcentaje de hidrólisis, recurrimos a la expresión de la constante correspondiente que es: Los cálculos respectivos son: KH = 1*10- 14 / 4,69*10- 11 = X2 / (0,5 – X) Podemos considerar comparando los valores de C con los de KH, encontrando que realmente el aporte de la disociación es despreciable. El resultado obtenido es: 0,01 M. El porcentaje de disociación es: (0,01/0,5)*100 = 2,0 %.

[H3O+] =

KW Ka

C

KW [HCO3-] [OH-]

KH = = Ka2 [CO3

2 +]

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3.1.4 Soluciones tampón o buffer. Una solución amortiguadora (también llamada solución reguladora, tampón o buffer) es aquella que limita los cambios de pH cuando se le agregan ácidos o bases o cuando se efectúan diluciones. Un amortiguador, tampón o buffer consiste en una mezcla de un ácido y su base conjugada63. Es un ejemplo de la aplicación del efecto del ion común. Vamos a intentar la comprensión de esta definición utilizando un ejemplo. Supongamos que preparamos un litro de una solución, tomando una alícuota de 25 mL de ácido acético 4 M y disolviendo en un balón aforado de litro utilizando agua destilada, homogenizamos la solución y calculamos su pH. Como estamos usando volúmenes y hemos tomado cantidades equivalentes, podremos hallar la nueva concentración de la solución utilizando esta expresión:

VA MA = VF MF Como no conocemos la concentración final, despejamos de la fórmula anterior MF, hallando: MF = VA MA / VF. Remplazando encontramos: MF = 0,1 M. Con este valor podremos calcular el pH que tiene esta solución, como lo hemos hecho con otros casos, encontrando [H3O+] = 1,31*10- 3; pH = 2,88. Ahora, pesamos exactamente 15 g de acetato de potasio purísimo, los añadimos a dicha solución y ahora vamos a determinar el pH final que presenta esta solución. Debemos calcular la molaridad de la solución en acetato de sodio. Necesitamos conocer el peso molecular de la sal que es 78,99 g/mol, para poder determinar el número de moles que tendrá el litro de solución puesto que no estamos añadiendo más solvente. Los moles de acetato de sodio son: 15/78,99 = 0,19 mol que al estar en un litro de solución, tendremos 0,19 M. Ahora procedemos a averiguar la cantidad de hidronios presentes en la solución final. Recurrimos a la expresión de la constante de disociación del ácido despejando la concentración de hidronios: Remplazando, el resultado es [H3O+] = 9,2*10- 6; pH = 5,04. Como podemos destacar, ha disminuido aunque todavía sigue siendo ácido. Ahora efectuemos el cálculo del pH cuando a esta solución le añadimos 10 mL de una solución 0,5 M de ácido clorhídrico. Aquí hemos modificado el volumen final de la solución: 1010 mL totales, que debemos tener en cuenta para la determinación final de la concentración de hidronio. Nos podemos auxiliar del siguiente esquema:

Reacción CH3COO+ + H3O+ CH3COOH Condiciones iniciales 0,19 9,2*10- 6 0,1 10 mL HCl 0,5 M - 4,95*10- 3 + 4,95*10- 3 + 4,95*10- 3 Condiciones finales 0,18505 4,9592*10- 3 0,10495 Para poder efectuar los cálculos requerimos manejar las mismas unidades de concentración para poder sumar y restar; todo está expresado en moles y se ha tenido en cuenta el factor de dilución. Los signos en el balance muestran que operación matemática se ha efectuado. Con los anteriores datos hallaremos la concentración final de hidronios utilizando la misma expresión usada arriba. 63 HARRIS, C. Daniel. Análisis químico cuantitativo. Op. Cit., p. 191.

[CH3COOH] [H3O+] = Ka [CH3COO-]

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Obtenemos, entonces: [H3O+] = 9,36*10- 6; pH = 5,02. Como podemos comparar, sólo se ha afectado la segunda cifra decimal del valor de pH, mostrando la capacidad que tienen estas soluciones. Ahora añadimos 10 mL de una solución de hidróxido de sodio 0,5 M. Efectuamos el mismo cuadro de balance:

Reacción CH3COOH + OH- CH3COO- + H2O Condiciones iniciales 0,10495 0,18505 10 mL NaOH 0,5 M - 4,90*10- 3 + 4,90*10- 3 + 4,90*10- 3 Condiciones finales. 0,10985 4,90*10- 3 0,190 Realizando el mismo tipo de cálculos que para el caso anterior, encontramos que [H3O+] = 1,84*10- 6; pH = 5,74. Comparado con el inicial de la solución, encontramos que se ha afectado las cifras decimales (ha aumentado) pero se mantiene en el mismo rango. Existe una deducción matemática que nos permite calcular más fácilmente el pH de este tipo de soluciones, se trata de la ecuación de Henderson – Hasselbalch que corresponde a otra forma de expresar Ka: Suponemos la siguiente reacción:

AH + H2O H3O+ + A-

Escribimos su constante de disociación: Tomemos los logaritmos a ambos lados de esa expresión: Ahora despejemos la concentración de hidronios:

- log [H3O+] = - log Ka + log [A-] + log [AH] Remplazando los términos ya conocidos y agrupando la ecuación, tenemos la expresión de Henderson – Hasselbalch: Esta ecuación presenta un conjunto de propiedades que vamos a revisar:

a) Cuando la concentración del anión es igual al del ácido sin disociar, pH = pKa. Esto significa que si en la solución se tienen varias especies ácidas, habrá una única concentración de hidronios en la solución.

b) El cambio en una orden de magnitud (una potencia de diez) el valor de la razón anión sobre ácido sin disociar cambia en una unidad.

3.1.5 El problema del indicador y el punto final.

[H3O+] [A-] Ka = [AH]

[A-] log Ka = log [H3O+] + log [AH]

[A-] pH = pKa + log [AH]

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Una reacción se considera completa cuando el número de equivalentes de la solución valorante es igual al número de equivalentes de la solución del analito o cuando el número de miliequivalentes de A es igual al número de miliequivalentes de T:

A + T AT Si consideramos una solución 1 N en la que hay N equivalentes y n miliequivalentes en un mililitro, el punto final se alcanza cuando:

VA NA = VT NT Esto permite calcular también el número de miliequivalentes de las dos sustancias reaccionantes cuando se conocen los volúmenes y las normalidades. Por ejemplo: ¿Cuántos mL de una solución 0,1 N de ácido clorhídrico se necesitarán para neutralizar 25 mL de una solución 0,05 N de hidróxido de sodio?

NaOH + HCl → NaCl + H2O VA = 25 mL. NA = 0,05 N. VT = X. NT = 0,1 N. Despejando la ecuación y resolviendo tenemos: VT = VA NA/NT = 12, 5 mL. El problema es sencillo, sin embargo ¿en la práctica cómo podemos detectar el punto final si la mayoría de soluciones son incoloras y no es fácil percibir el cambio a simple vista? Significa que tenemos que encontrar un medio que nos detecte el punto equivalente. En las titulaciones ácido – base hay un cambio brusco del pH al añadir un pequeño exceso del valorante, un indicador debe detectarlo haciéndolo manifiesto mediante la aparición o desaparición de un color. Para hallar el indicador más apropiado debemos calcular el pH en el punto de equivalencia y se selecciona el más cercano o que coincida con ese cambio. En la tabla 25 hallamos los nombres de algunas de esas sustancias, el rango de variación de colores y el color que presenta en medio ácido y el que tiene en medio básico. Un indicador ácido – base es en sí un ácido o una base débil cuyas distintas formas protonadas tienen diferentes colores. La forma de selección del más idóneo es algo empírica aunque si se conoce el punto final, se selecciona el indicador que mejor cambie en esa zona, tratando de minimizar el error del indicador o error de titulación.

Tabla 26. Indicadores ácido – base64.

Indicador Intervalo de transición de pH

Color de la forma ácida Color de la forma básica

Rojo de parametilo. 1,0 – 3,0 Roja Amarilla Azul de bromofenol. 3,0 – 4,6 Amarilla Azul Anaranjado de metilo. 3,1 – 4,4 Roja Amarilla Rojo de metilo. 4,2 – 6,2 Roja Amarilla Azul de bromotimol. 6,0 – 7,6 Amarilla Azul Fenolftaleína. 8,0 – 9,6 Incolora Rosada Timolftaleína. 9,3 – 10,6 Incolora Azul 2,4,6 – trinitrotolueno. 12,0 – 24,0 Incolora Anaranjada 64 RAMÍREZ, Inés Bernal de, y otros. Química analítica. Op. Cit., p. 119.

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En general, se busca un indicador cuyo intervalo de transición se superponga lo más posible con la zona de mayor pendiente de la curva de titulación. El error de titulación debido a la no coincidencia del punto final y el punto de equivalencia será tanto más pequeño cuanto más inclinada sea la curva de titulación en la vecindad del punto de equivalencia65. Un ejemplo es la determinación de la alcalinidad en aguas. En esta determinación encontramos que el agua puede tener disueltos hidróxidos, carbonatos y bicarbonatos. Hemos estudiado la situación que se presenta en cada uno de ellos, pero ahora nos inquieta si podemos establecer una diferencia analítica entre ellos. La respuesta es si y ahora la cuestión es saber cómo; nuevamente la respuesta nos la da los indicadores. Para valorar una solución alcalina usamos ácido clorhídrico y el primer cambio que logramos en la neutralización de todos los hidróxidos y el cambio del carbonato a bicarbonato:

OH- + HCl → H2O

CO32 - + HCl → HCO3

- + Cl- Eso significa que podemos utilizar otro indicador para determinar el cambio de bicarbonato a ácido carbónico. Este dato nos permite determinar la cantidad de alcalinidad debida a carbonatos y poder definir la exclusivamente debida a hidróxidos:

HCO3- + HCl → H2CO3 + Cl-

Estudiemos el siguiente ejemplo para establecer la forma de trabajar los datos y expresar los resultados. Calcule la concentración en g/L, de carbonato y de bicarbonato de sodio en una muestra de agua si al titular una alícuota de 100 mL con una solución de ácido clorhídrico 0,1 N, se necesitaron 2,5 mL para decolorar la fenoltaleína y 10 mL para hacer virar el metil naranja. Determinemos los datos disponibles: Peso equivalente de Na2CO3 = PF/2 = 53,0 g/Eq. Peso equivalente de NaHCO3 = PF/1 = 84,02 g/Eq. El problema nos está preguntando cuánto carbonato tiene. La neutralización con fenolftaleína nos da únicamente la mitad del proceso, luego para la neutralización completa requeriremos del doble del volumen, o sea 5,0 mL. Con estos datos calculemos los resultados teniendo en cuenta los factores gravimétricos y de dilución que habíamos planteado en el tema anterior: Ahora, analicemos la segunda situación. Sobre la misma solución se ha añadido el indicador metil naranja y se titula con ácido clorhídrico estandarizado hasta virar, como tenemos contribución de bicarbonato por la neutralización de la primera parte del carbonato inicial, debemos restar los volúmenes para saber realmente cuanto bicarbonato es el que tiene la solución: 10,0 mL – 2,5 mL = 7,5 mL que corresponden exclusivamente a bicarbonato. La concentración de bicarbonato solicitada se calcula como la anterior:

65 HARRIS. C. Daniel. Análisis químico cuantitativo. Op. Cit., p. 244.

53,0 mg/Eq. 1000 mL/L. Masa de Na2CO3 = 5,0 mL (0,1 Eq/L) = 0,26 g/L. 1000 mg/g. 100 mL.

84,02 mg/Eq. 1000 mL/L. Masa de NaHCO3 = 7,5 mL.(0,1 Eq/L) = 0,63 g/L. 1000 mg/g. 100 mL.

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¿Qué pasa cuando encontramos mezcla de hidróxidos y carbonatos y bicarbonatos? Simplemente debemos comparar entre sí los volúmenes del ácido titulante usados en la titulación con fenolftaleína y con el naranja de metilo. Si el primero es mayor que el segundo, tendremos mezclas. Si es menor no habrá hidroxilos sino sólo carbonatos. Si no hay cambio de color, no existen carbonatos ni hidroxilos.

ACTIVIDAD PRÁCTICA 6 1) Elabore un mapa conceptual de la volumetría ácido – base. 2) Para la reacción HCl + H2O H3O+ + Cl, identifique los pares ácido – base conjugados. 3) ¿Cuál es la concentración de iones hidronio, pH y pOH que presenta una solución 0,05 M de ácido

cloroacético? 4) ¿Cuál es la concentración de iones hidroxilo y su pOH que presenta una solución de ácido láctico 3,5*10-

4 M? 5) ¿Cuál es la concentración de iones hidronio de una solución de ácido p – nitro benzoico 0,1 M, si su Ka =

4*10- 4? ¿Qué pH y pOH tendrá la solución? 6) El ácido cítrico es una sustancia que se encuentra en las naranjas, limones, mandarinas, etc., un grupo

denominado frutas cítricas. ¿Cuál es la concentración de hidronios que posee una solución 0,05 M del ácido?

7) ¿Qué concentración de iones hidronio tendrá una solución de hidróxido de potasio 0,092 M? 8) Teniendo como base la tabla 24, verifique el valor de pKa para los siguientes ácidos y ordénelos según la

fuerza de acidez que presentan: ácido acético, ácido carbónico, ácido fórmico, ácido sulfhídrico, amoníaco, etil amonio, piridinio, y piperidinio.

9) Calcule la concentración de hidronio, pH, pOH y grado de hidrólisis para la disolución de las siguientes

sales preparadas con una concentración de 0,45 M: Formiato de sodio (CHO2Na), lactato de potasio (C3H5O2K) y del citrato de sodio (C6H5O7H2Na). Las constantes de disociación de los ácidos las encuentra en la tabla 24.

10) Calcular la concentración de hidronio, el pH y el pOH de una solución acuosa de clorhidrato de anilina

0,09M, sabiendo que Kb es 4*10- 10. (Clorhidrato de anilina = C6H5NH3Cl). 11) Calcule la concentración de hidronio y el porcentaje de hidrólisis que tiene una solución 0,03 M de borato

ácido de amonio (H2BO3NH4). 12) Calcular el valor de pH y el grado de hidrólisis que presenta una solución 0,36 M de bisulfito de sodio

(Na2SO3). 13) Deduzca la ecuación de Henderson – Hasselbalch para un buffer formado por la sal de una base débil y su

base débil, pero expresándola en pH. 14) Se prepara una solución buffer mezclando 0,5 moles de amoniaco y 0,5 moles de cloruro de amonio

completando el volumen a un litro de solución. Posteriormente se añaden 0,1 moles de hidróxido de sodio, ¿cuál es la concentración de hidroxilos y el pH que tiene la solución finalmente?

15) Calcule la concentración de hidronio y el pH que tiene una solución que contiene 0,49 moles de citrato de

sodio y 0,5 moles de ácido cítrico disueltos en un litro de solución y luego se añadieron 0,05 moles de hidróxido de potasio.

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16) Calcular el pH de una solución de amoniaco 0,05 M y cloruro de amonio 0,1 M. 17) Calcular el pH de una solución preparada a partir de la mezcla de volúmenes iguales de ácido acético 0,1

M y de hidróxido de sodio 0,12 M. 18) ¿Cuántos gramos de cloruro de amonio se deben añadir a 200 mL de amoniaco 0,05 M para obtener una

disolución de pH = 10? 19) Calcule el pH cuando a un litro de una solución que contiene 0,5 moles de ácido láctico y 0,5 moles de

lactato de sodio se les agregan los siguientes volúmenes de una solución de hidróxido de sodio 0,05 N: 5 mL; 10 mL; 15 mL y 20 mL.

20) En la valoración de alcalinidad de una solución acuosa se toma una alícuota de 50 mL, la cual se valoró

con ácido clorhídrico estandarizado 0,2 N. Para hacer virar la fenolftaleína se gastaron 25,0 mL y a continuación se necesitaron 5,0 mL para hacer virar el metil naranja. Determinar la concentración de hidróxido de sodio y de carbonato de calcio presentes en g/L.

21) Una muestra de 100 mL de agua de caldera se tituló con ácido clorhídrico 0,01 N gastando 12,0 mL para

hacer virar la fenolftaleína y 12, 0 mL para hacer virar el metil naranja. ¿Qué especies están presentes? Exprese su concentración en p.p.m., de la sal de sodio.

22) Al analizar una alícuota de 100 mL de agua no hubo cambio de color cuando se añadió el indicador de

fenolftaleína. Se añadió metil naranja. El punto de viraje de este indicador se alcanzó cuando se añadieron 15,0 mL de una solución 0,5 N de ácido clorhídrico. ¿Qué especie está presente? Calcule la concentración de la sal sódica expresándola en mg/L.

23) Se quiere determinar a qué se debe la alcalinidad de un agua residual de una planta de tratamiento de

leches. Se toma una alícuota de 50 mL la cual se valora con 10,0 mL de solución 0,02 N de ácido clorhídrico. Al añadir el metil naranja para continuar con la titulación se nota el viraje del indicador con la primera gota de ácido. Diga a qué se debe la alcalinidad y exprese el resultado en g/100 mL de la sal de potasio.

3.2 Volumetrías de precipitación. Comprende aquellas técnicas en las que la reacción de la titulación produce un precipitado o sal poco soluble. Las condiciones que debe cumplir son:

La reacción de precipitación deber ser muy rápida, luego de la adición de titulante. No se deben producir situaciones de interferencia (oclusión, coprecipitación, adsorción entre otras). Disponer de un indicador que localice el punto de equivalencia con exactitud razonable.

Realmente es una técnica muy antigua pero de aplicaciones reducidas, siendo el más importante la argentometría o determinación de halógenos y tiocianato con plata (I). Los indicadores en esta técnica son aquellos que:

Pueden formar un segundo precipitado con la sustancia titulante cerca o en el punto de equivalencia. Este precipitado se detecta claramente por su color.

Participan en procesos de adsorción sobre la superficie del precipitado, proporcionando un cambio de color en el punto de equivalencia o cercano al mismo, producto de esa interacción.

Forman con la sustancia titulante un complejo soluble coloreado bien nítido cerca o en el punto de equivalencia.

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Experimentan un cambio de color asociado a un cambio en el potencial de la solución cerca o en el punto de equivalencia (funcionan por principios Redox)66.

Como ilustración, puede observar la tabla 27 que muestra los reactivos, patrones y usos de algunas técnicas que aunque tienen un nombre, lo mencionaremos en caso necesario.

Tabla 27. Ejemplos de valoraciones de titulación67.

Reactivo Método de normalización Uso

AgNO3 1) Pesada directa de AgNO3. 2) Directa de Ag + HNO3. 3) Contra KCl o NaCl.

Valoración de iones Cloro (I), Bromo (I), cianuro (I) y algunas de sus mezclas.

KCNS 1) Contra AgNO3. 2) Contra Hg o HgO disueltos en HNO3.

Valoración de plata (I) y mercurio (II).

KCN Contra Cu disuelto en HNO3; añadir NH3. Valoración de cobre (I) y Níquel (II). Hg(NO3)2, Hg(ClO4)2

Contra KCl, NaCl o KCNS. Valoración de cloro (I), bromo (I) y tiocianato (I).

KCl, NaCl 1) Preparación directa. 2) Contra AgNO3.

Valoración de plata (I).

K4Fe(CN)6 Contra Zn o ZnO disueltos en H2SO4. Valoración de zinc (II).

(NH4)2MoO4 Contra PbSO4 disuelto en acetato de amonio. Valoración de plomo (II).

Como una aplicación específica de estas técnicas vamos a estudiar la argentimetría. 3.2.1 Argentometría. Es una técnica volumétrica que utiliza soluciones estandarizadas de nitrato de plata, utilizada para determinar la concentración de halógenos mediante la reacción:

NaCl + AgNO3 → AgCl ↓ + NaNO3 Hay dos técnicas titulométricas para determinar el contenido de halógenos: la titulación de Mohr y la valoración de Volhard. 3.2.1.1 Titulación de Mohr. Técnica muy antigua, involucra la titulación de cloruro o de bromuro con una solución estandarizada de nitrato de plata, su indicador de punto final es una sal de cromato soluble, preferencialmente de potasio, que tiene como reacciones:

Cl- + Ag+ AgCl

Br- + Ag+ AgBr

CrO42 - + 2 Ag+ Ag2CrO4

El precipitado del indicador da un color rojo a la solución dando fin a la titulación. El yoduro y el tiocinato no se pueden determinar por este método pues ocurren procesos de adsorción que quitan nitidez al punto final. Otro indicador que se puede utilizar exitosamente es la fluoresceína, un indicador de adsorción. Fajans y sus colaboradores demostraron que los precipitados de las sales haloides de plata por su carácter coloidal 66 DICK, J.A. Química analítica. México: el manual moderno, 1979., p. 329 – 330. 67 AYRES, Gilbert H. Análisis químico cuantitativo. México: Harla, Harper & Row latinoamericana, 1970., p 351.

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adsorben iones plata arrastrando consigo otros aniones de colorantes orgánicos, generando variaciones en el pH que cambian el color, la fluoresceína en solución acuosa tiene color verde amarillento, pasa a violeta rojizo cuando detecta un ligero exceso de iones plata. Requiere para su realización de considerar dos condiciones fundamentales para que el indicador funcione correctamente: el control del pH que debe estar entre siete y no mayor de 10 y realizarse a temperatura ambiente por la tendencia de solubilizarse que presenta el precipitado indicador. 3.2.1.2 Titulación del Volhard. Corresponde a una técnica para titular ion plata ya que se utiliza una titulación por retroceso. Primero se añade a la solución con el analito a determinar un exceso medido de solución de nitrato de plata en medio ácido para que ocurra la reacción:

Cl- + Ag+ AgCl ↓ Se separa el cloruro de plata y el exceso de plata se titula con una solución estandarizada de tiocianato de potasio en presencia de ion férrico para formar un complejo rojo:

Ag+ + SCN- AgSCN ↓

Fe3 + + SCN- FeSCN2 + Cuando aparece el color rojo, se suspende la valoración. Al conocer la cantidad de tiocianato necesaria para la titulación por retroceso, se puede saber la cantidad de plata sin reaccionar luego de reaccionar con la sal halógena. En la determinación de cloruros, el color del punto final se desvanece lentamente debido a que el cloruro de plata es más soluble que el tiocinato de plata por ello se filtra o añadir uno mililitros de nitrobenceno que recubre al precipitado de cloruro de plata aislándolo de la acción del tiocinato. Las sales de bromo y yodo no requieren esta técnica por ser menos solubles que el tiocianato de plata.

ACTIVIDAD PRÁCTICA 7 1) En el método de Mohr durante la valoración, aparece en el punto de contacto un precipitado rojo que

desaparece al agitar. ¿De qué es ese precipitado? ¿Por qué desaparece al agitar? 2) ¿Qué reacciones se producen al agregar sulfocianuro de potasio a una solución que contenga iones

férricos y plata? 3) ¿Por qué es necesario en el método de Volhard, separar el precipitado de cloruro de plata antes de valorar

el exceso de plata con sulfocianuro alcalino y se utiliza como indicador una solución de sal férrica? 4) Se quiere determinar el porcentaje de ion cloruro que contiene una muestra impura de cloruro de sodio.

Se disolvieron 0,5000 g de la muestra, el cloruro se precipitó cuantitativamente y peso 0,8550 g. ¿Cuál es el porcentaje de cloruro presente en la muestra?

5) Calcule el volumen de una solución de cloruro de plata 0,53 N requerido para precipitar

cuantitativamente el cloruro presente en 2,5000 g de cloruro de bario dihidratado. 6) Calcule el porcentaje de cloruro férrico que contiene 1,0000 g de una muestra, sabiendo que se

requirieron 25,0 mL de una solución de nitrato de plata 0,125 N. 7) Calcule la normalidad de una solución de nitrato de plata si 35,0 mL producen 0,3987 g de cloruro de

plata.

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8) Una muestra contiene cloruro de sodio y bromuro de sodio. Se pesó una muestra de 0,5763 g que

consumieron 53,0 mL de una solución de nitrato de plata 0,15 N. Se pesó otra muestra idéntica, se trató con una solución ácida de bicromato que oxidó el bromuro a bromo siendo expulsado por ebullición. La solución resultante gastó 45,0 mL de la misma solución de nitrato de plata. Calcule el porcentaje de cloruro y de bromuro presente en la muestra.

9) Calcule el porcentaje de plata que contiene una amalgama si 0,5000 g requieren 20,0 mL de una solución

de tiocianato de potasio 0,1 N para precipitar toda la plata. 10) Una muestra impura de cloruro de magnesio pesa 0,5000 g. Para determinar su cantidad se precipitó

cuantitativamente el cloruro con 50 mL de nitrato de plata 0,05 N, si filtró y para determinar la plata disuelta en el filtrado se necesitaron 15 mL de tiocianato de potasio 0,02 N. Calcule el porcentaje de cloruro de magnesio presente en la muestra.

11) Una muestra de mineral de níquel pesa 0,3000 g. Se disolvió en ácido clorhídrico concentrado, luego se

adicionaron 50 mL de nitrato de plata 0,3 N (una vez se eliminó el exceso de ácido); precipitado cuantitativamente el cloruro, se filtró y valorado gasto 25,0 mL de tiocianato de potasio 0,02 N. Calcule el porcentaje de níquel que tiene la muestra.

3.3 Volumetría Redox. Como un esfuerzo de recordación de este tema ya estudiado en su curso de Química General, establecemos que la técnica volumétrica a estudiar comprende reacciones en las que hay cambios en los estados de oxidación de los átomos involucrados: se entiende por oxidación de un elemento cuando incrementa su número de oxidación y si disminuye el átomo ha sufrido una reducción. En todo cambio químico la oxidación de un elemento va acompañada de la reducción de otro y viceversa. El número de oxidación corresponde a números positivos o negativos asignados siguiendo ciertas reglas de modo que la combinación de ellos en una molécula siempre es cero, es decir, es neutra. Teóricamente, el número de oxidación de un elemento se explica por el comportamiento de los electrones en su capa periférica, los cuales determinan el comportamiento químico. Si un elemento fuertemente electronegativo, reacciona con otro de electronegatividad menor, la capa electrónica del elemento más electronegativo toma uno o más electrones del otro átomo. Por ejemplo, al reaccionar el cloro con el potasio se forma el ion cloruro (I) (Cl-), con una carga negativa a partir del átomo de cloro. Inversamente, la capa electrónica del elemento menos electronegativo (el potasio) cede uno o varios electrones. En esta reacción, el ion potasio (I) (K+), tiene origen en el átomo de potasio neutro. Puede decirse que el proceso de oxidación consiste en una cesión o pérdida de electrones y que el de reducción consiste en una fijación de los mismos. Hablamos de unas reglas de oxidación68, recordémoslas:

Para todos los elementos libres (no combinados) el número de oxidación es cero. Para todo compuesto neutro la suma de los números de oxidación es cero. Para todo ion monoatómico, el número de oxidación es igual a la carga del ion. Para todo ion poli atómico, la suma de los números de oxidación es igual a la carga del ion. Para el hidrógeno, el número de oxidación en sus compuestos es uno (1), excepto para los hidruros

metálicos, en el cual el número es – 1. Para el oxígeno, el número de oxidación en sus compuestos es – 2, excepto para los peróxidos en los

cuales el número es – 1.

68 RAMÍREZ, Inés Bernal de y otros. Química analítica. Op. Cit., p 282.

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La propiedad que tiene una sustancia de actuar como oxidante o como reductor depende principalmente de su afinidad electrónica y de su energía de ionización; cuanto más fácilmente se oxida la sustancia, tanto mayor es su acción como agente reductor. Por ejemplo, colocar en contacto zinc metálico con una solución de iones cobre (II), el zinc comienza a recubrirse de cobre metálico:

Zn + Cu2 + Cu + Zn2 + Observe: hay una oxidación del zinc y una reducción del cobre. Fenómeno que descomponemos en dos reacciones:

Zn Zn2 + + 2 e-

Cu2 + + 2 e- Cu Una barra de zinc, colocada en una solución de una sal de zinc, reacciona inicialmente de acuerdo con la primera ecuación y entra rápidamente en equilibrio por ser reversible la reacción. La barra de zinc adquiere una ligera carga negativa, porque el zinc metálico se disuelve, en una pequeña cantidad a la forma de catión zinc (II). Inversamente, en una barra de cobre, colocada en una solución de sal cúprica, se separa una pequeña cantidad de cobre metálico, de acuerdo con la segunda ecuación, y la barra de cobre se carga positivamente. Las combinaciones zinc metálico – zinc disuelto y cobre metálico – cobre disuelto reciben el nombre de semielementos y sus potenciales en de potenciales parciales. Al combinar aparece una diferencia de potencial (f.e.m., o fuerza electromotriz) en cada semielementos formando una pila galvánica. En este caso, el mejor agente reductor es el cobre y el mejor agente oxidante es el cobre. El valor relativo de los potenciales parciales depende de la concentración de las soluciones electrolíticas en las que se sumerge el metal respectivo Este valor de determina experimentalmente combinando sucesivamente los distintos semielementos con uno de referencia y midiendo las diferentes fuerzas electromotrices producidas en cada pila con un voltímetro. En la siguiente unidad discutiremos este tema. Cada uno de los sistemas Redox requieren de efectuar balances, hay dos métodos que usted como estudiante selecciona y se adiestra para efectuar la resolución de los problemas analíticos que involucran esta técnica, es la oportunidad para que los revise por su cuenta ya que no es nuestro interés profundizar en ello en este tema. Por último, haremos una revisión del concepto de peso equivalente en estas sustancias ya que las concentraciones se calculan sobre la base de unidades químicas como la normalidad. En las volumetrías Redox, la regla consiste en dividir el peso fórmula o el peso molecular del reactivo por el cambio que ha ocurrido en el número de oxidación que sufre el elemento o ion reducido u oxidado. El cambio de número de oxidación puede ser determinado fácilmente por la reacción y se puede calcular balanceándola y ubicando directamente el número de electrones ganados o perdidos por la sustancia en cuestión. Por ejemplo: El peso equivalente del sulfato ferroso heptahidratado es: Las sales ferrosas en solución se transforman en sales férricas, el hierro pasa de hierro (II) a hierro (III), luego el peso equivalente será el mismo peso fórmula. Determinar el peso equivalente del tiosulfato de sodio pentahidratado: En solución acuosa los iones tiosulfato se oxidan a iones tetrationato:

2 S2O32 - S4O6

2 - + 2 e- En el radical tiosulfato, el número de oxidación del azufre es + 2 y en tetrationato de + 2,5. El aumento de cambio es de ½ electrón por cada azufre, como existen dos azufres el cambio total será de un electrón, luego el peso equivalente del tiosulfato será su mismo peso fórmula o molecular.

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Miremos el caso del permanganato de potasio, en medio ácido presenta la reacción:

MnO4- + 8 H+ + 5 e- Mn2 + + 4 H2O

El cambio del número de oxidación del manganeso es de + 7 a + 2, es decir cinco, luego su peso equivalente equivaldrá a la quinta parte del peso fórmula. En el bicromato de potasio, en medio ácido la reacción que exhibe es:

Cr2O72 - + 14 H+ + 6 e- 2 Cr3 + + 7 H2O

El cambio en el número de oxidación en cada cromo es de + 6 a + 3, es decir de tres electrones, como en la molécula tenemos dos átomos el total será de seis luego el peso equivalente equivaldrá a dividir por seis el peso fórmula. Por último determinemos el peso equivalente del yodo, este se reduce a yoduro:

I2 + 2 e- 2 I- El cambio en el número de oxidación por cada yodo es de uno, como en la molécula se tienen dos átomos, el cambio total será de dos y el peso equivalente será la mitad del peso fórmula o molecular del yodo. Los valorantes oxidantes más conocidos son el permanganato de potasio, el bicromato de potasio y el yodo, los cuales dan origen a los métodos llamados Permanganimetría, dicromatometría y yodometría respectivamente. Los reductores más utilizados son el oxalato de sodio, el tiosulfato de sodio y el anhídrido arsenioso, los cuales se utilizan en conjunto con los oxidantes nombrados. Los requisitos fundamentales para que una sustancia pueda utilizarse como oxidante en una valoración dada, son los siguientes:

El oxidante ha de ser lo bastante fuerte como para que la reacción con la sustancia que valora sea prácticamente completa.

El oxidante sólo debe reaccionar con la especie deseada, ignorando las demás especies presentes en la solución, es decir, debe ser selectivo.

La reacción de valoración debe ser rápida; en caso de que la velocidad no sea la óptima, deben darse las consideraciones necesarias para acelerarla y hacerla útil en el análisis.

Después de esta introducción, vamos a analizar los fundamentos de dos técnicas de volumetría Redox que tiene interés en el campo de los alimentos: permanganimetría y yodometría. 3.3.1 Permanganimetría. El permanganato de potasio es un oxidante fuerte, sin embargo puede actuar de diversa manera dependiendo de si el medio es ácido, neutro o alcalino. Su estándar primario es la sal de Sorensen u oxalato de sodio, es importante tener en cuenta las siguientes precauciones para su estandarización como:

Una vez disuelto el oxalato, en una concentración 1,5 N en medio sulfúrico, se debe titular inmediatamente.

La disolución se debe calentar entre 80 y 90 ºC para realizar la valoración y el punto final no debe estar a menos de 60 ºC.

La solución valorante de permanganato se debe adicionar directamente sobre la solución a valorar y agitando para evitar la acumulación de un gran exceso localizado que forma un precipitado oscuro de óxido de manganeso por la disminución local de hidronios.

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La agitación no debe ser muy violenta ya que puede solubilizar aire permitiendo que el oxalato pase a ácido percarbónico que se descompone en dióxido de carbono y peróxido de hidrógeno que puede perderse modificando los resultados obtenidos.

De ser posible, es necesario hacer un blanco de reactivos. Vamos a estudiar su comportamiento en medio francamente ácido, preferencialmente junto al ácido sulfúrico que es el único ácido al que no reduce; ya habíamos visto la reacción química de esta sustancia y conocemos que su peso equivalente es la quinta parte de su peso molecular, ya que el ion permangánico pasa a ion manganoso perdiendo cinco electrones por molécula. La solución normal (1 N) es demasiado concentrada por lo que se prefiere utilizarla 0,1 N o más diluida. El ion permangánico tiene color violeta, mientras que el manganoso es incoloro, lo que significa que el mismo sirve de indicador, pero buscando un tenue color rosado para evitar el error de la titulación. Este color no dura demasiado por lo que desaparece debido a que el permanganato en exceso reacciona con el manganoso mediante la siguiente reacción:

MnO4- + 4 H+ + 3 e- MnO2 + H2O

Mn2 + + 2 H2O MnO2 + 4 H+

Una de las aplicaciones de este método es la determinación de metales bajo la forma de oxalatos. Muchos metales, excepto los alcalinos, forman oxalatos insolubles con el agua, las cuales se solubilizan en medio ácido librando el oxalato y pudiéndose determinar de manera indirecta la concentración del metal. Las reacciones implicadas son:

C2O42 - - 2 e- 2 CO2

MnO4

2 - + 8 H+ + 5 e- Mn2 + + 4 H2O Ilustremos el caso con la determinación de calcio en productos lácteos (leche, queso, yogurt) a partir de sus cenizas. Una vez calcinada la muestra, es necesario efectuar una solubilización con ácido como el sulfúrico, después se procede a la precipitación del oxalato de calcio, como se encuentra conjunto con el magnesio, es necesario eliminarlo para ello se realiza la precitación del calcio utilizando un buffer de amoniaco – cloruro de amonio; se adiciona el oxalato de amonio garantizando la precipitación del oxalato de calcio:

Ca2 + + (NH4)2C2O4 → CaC2O4 + 2 NH4Cl El reactivo precipitante debe añadirse en caliente, lentamente y agitándolo con el fin de obtener una cristalización apropiada para facilitar el proceso de filtración y7 el lavado. Se deja madurar el precipitado por media hora y en caliente, luego se separa por filtración y se lava para eliminar el exceso de oxalato controlándolo con solución de permanganato. Después se solubiliza el oxalato de calcio con ácido sulfúrico liberando el ácido oxálico:

CaC2O4 + H2SO4 CaSO4 + H2C2O4 Sigue la valoración del ácido oxálico, la cual se hace en caliente para acelerar la reacción del permanganato con el ácido oxálico hasta alcanzar un ligero color violeta momento en el que se suspende la valoración. Para los cálculos se tiene en cuenta cómo por cada mol de ácido oxálico hay un mol de calcio y cómo el cambio electrónico en la oxidación es de dos electrones por cada mol de oxalato y el peso equivalente equivaldrá a la mitad del peso molecular del calcio.

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No estudiamos los cambios químicos del permanganato en medio neutro o básico ya que su aplicación en el campo de los alimentos es reducido o nulo, pero si tiene algún interés puede ubicar cualquiera de los textos de la bibliografía y profundizar en el tema. 3.3.2 Yodometría. El yodo se solubiliza en agua formando soluciones 1,33*10- 3 M a temperatura ambiente, sin embargo se puede incrementar en presencia de yoduros solubles como el de potasio, hasta mayores concentraciones debido a que se forma el complejo:

I2+ I- I3-

Ese ion es la especie principal en las soluciones usadas como valorante de métodos directos o en soluciones provenientes de la oxidación del yoduro en los métodos indirectos, sin embargo, por convención se utiliza la fórmula molecular del elemento en las reacciones químicas en las que participa. Esta sustancia se puede utilizar en dos formas; una como valorante directo y otra, añadiendo un exceso conocido y titulando por retroceso con otras soluciones estandarizadas como la del tiosulfato o el arsenito de sodio, aunque el más usado es el primero:

I2 + 2 S2O32 - 2 I- + S2O6

2 – El medio en que ocurre esta reacción debe ser neutro o débilmente ácido ya que en medio básico sufre los siguientes cambios:

I2 + 2 OH- H2O + I- + IO-

3 IO- 2 I- + IO3-

Además, la valoración del yodo con tiosulfato en disolución alcalina no transcurre según la reacción indicada sino que parte del tiosulfato se oxida a sulfato, siendo proporcional a la alcalinidad de la disolución:

S2O32 - + 4 I2 + 10 OH- 2 SO4

2 - + 8 I- + 5 H2O Esta técnica tiene dos fuentes de error: una es la volatilidad del yodo que se minimiza acomplejándolo y titulando a temperatura ambiente y la segunda es la oxidación que puede sufrir con el oxígeno del aire; si la solución está en medio neutro no ocurre ese fenómeno, ya que depende de la concentración de hidronios que haya en el medio de reacción, por ello el agua de disolución debe hervirse para eliminar el oxígeno disuelto, ni tampoco utilizar fuentes de luz muy fuertes que ayuda en este fenómeno. El yodo puede servir de auto indicador ya que en solución acuosa tiene un ligero color amarillo fácilmente detectable, sin embargo para tener mucho más seguridad, se utiliza una solución de almidón, al calentar esos gránulos se descompone en β – amilosa y que al interactuar con el yodo forma un complejo de adsorción azul intenso yodo – β – amilosa – yoduro. No se puede utilizar en medio ácido debido a que el almidón y sus restos se hidrolizan y pierde sensibilidad de detección cuando se encuentra en medio alcohólico. En las titulaciones directas la primera gota del yodo valorante produce inmediatamente el complejo coloreado indicando el fin de la reacción, pero en las titulaciones indirectas, el almidón se añade hasta que se haya valorado la mayor cantidad posible de yodo pues forma un complejo menos sensible al tender a mantenerse unido al almidón, dificultando la ubicación del punto final. El complejo yodo – almidón es afectado por la temperatura, siendo muy sensible a temperaturas cercanas a 0 ºC, y los solventes orgánicos que promueven la disolución del yodo en ellos sobre la formación del complejo. En el campo de los alimentos, se utiliza una técnica de yodometría para determinar el índice de yodo de las grasas y aceites, el yodo se adiciona a los dobles enlaces de los ácidos grasos no saturados cuantitativamente y bajo condiciones controladas:

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CH3 – CH = CH – CH3 + I2 → CH3 – CH – CH – CH3 | | I I Basándose en está reacción, el índice de yodo se define como los gramos de yodo adsorbidos por 100 g de la sustancia grasa. El índice de yodo esa tal vez el mejor método para clasificar las sustancias grasas, de acuerdo co su capacidad de secantividad. Así, los aceites secantes y los de pescado tienen índices de yodo muy elevados que sobrepasan de 120. Los no secantes tienen índices inferiores a 100 y los semisecantes tienen índices intermedios. Las grasas vegetales entre 30 y 60 y los animales por debajo de 90. Es también un método excelente para comprobar la pureza de una sustancia grasa. En los aceites hidrogenados no se altere sensiblemente el índice de saponificación pero si notablemente el índice de yodo, dependiendo de la intensidad de la hidrogenación. En cambio, su punto de fusión es más elevado que el de los aceites de origen. Son solubles en los disolventes de las grasas (éter, cloroformo, etc.) pero son muy poco solubles en alcohol. Si conocemos los constituyentes de una mezcla, por ejemplo de dos aceites, podemos calcular el porcentaje de cada uno aplicando las siguientes fórmulas: En las cuales: X = % de aceite M. Y = % de aceite N. m = Índice de yodo de M puro. n = Índice de yodo de N puro. I = Índice de yodo de la mezcla. El índice de yodo puede variar ligeramente con la edad y el estado de conservación de las sustancias grasas. Los materiales viejos y mal conservados tienen por lo general valores inferiores a la misma sustancia fresca y bien conservada. Esta variación es más crítica para los aceites secantes que absorben fácilmente el oxígeno del aire. Se han propuesto varios métodos para esta determinación, los cuales son similares en su técnica y solamente se diferencian en la solución de halógenos utilizada y en el tiempo de contacto; nos referimos a los siguientes métodos:

Tabla 28. Técnicas para la determinación del índice de yodo en aceites y grasas.

Método Solución halogenante Hübl Yodo el alcohol, HgCl2 en alcohol. Wijs Yodo – cloruro en ácido acético. Hanus Yodobromuro en ácido acético.

Actualmente se prefiere el método de Hanus, el cual debe efectuarse corriendo un blanco de reactivos paralelo al análisis. En esta técnica, el mecanismo por el cual ocurre la reacción parece ser el siguiente: | | I – Br | |

– C = C – + → – C – C –

100 (I – n) X = ; Y = 100 – X m – n

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| | I – Cl | | Br I Pues se ha comprobado que el yodo requiere del bromo o del cloruro para adicionarse al doble enlace69.

ACTIVIDAD PRÁCTICA 8 1) Mediante un mapa conceptual, establezca las relaciones de reacciones Redox, oxidación, reducción,

agente oxidante, agente reductor, número de oxidación y peso equivalente. 2) Balancee las siguientes reacciones:

Hg2Cl2 + NH3 Hg(NH2)Cl + Hg + NH4+ + Cl

HgS + Cl- + NO3

- + H+ HgCl42 - + S + NO

Bi(OH)3 + Sn(OH)3 + OH- Bi + Sn(OH)6

2 - 3) ¿Qué es el agua regia? ¿Para que sirve? Ilustre su comportamiento mediante reacción. 4) Calcule el peso equivalente de estas sustancias en las siguientes reacciones:

H2C2O4.2H2O → 2 CO2 + 2 e-

H3Fe(CN)6 → K4Fe(CN)6 – 1 e-

H2S – 2 e- → S

H2S – 8 e- → SO42 -

3.4 Volumetría de iones complejos. Vamos a mencionar rápidamente esta técnica ya que su aplicación en el campo de los alimentos es muy reducida. Un ion complejo es una sustancia proveniente de la unión por enlace covalente coordinador generalmente a un catión metálico y principalmente de los del grupo de transición en la tabla periódica debido a la disponibilidad de orbitales atómicos que pueden dar cabida a un par de electrones libres que tienen otras sustancias denominadas ligandos. La teoría de coordinación de Werner permitió la explicación de esas uniones que desde la teoría atómica moderna no eran comprensibles; esta teoría considera una esfera de ionización que corresponde a la que normalmente tiene el átomo para efectuar las uniones corrientes y otra interna, denominada esfera de coordinación donde está la posibilidad de establecer uniones covalentes coordinadas. Veamos el caso del hierro en un compuesto como el hexacianoferrato de potasio (K4Fe(CN)6). La valencia del hierro es + 2, lo que indicaría que recibiría dos aniones cianuro, pero en la molécula hay seis y fuera de eso aparecen cuatro cationes de potasio, utilizando los conocimientos de la teoría atómica moderna trabajada en su curso de Química General no encontramos forma de poder “acomodar” todas esas especies químicas que aparecen en la molécula.

69 MAHECHA, Gabriela y otros. Análisis y control de calidad. Volumen II. Bogotá: UNISUR, 1993., p. 167 – 170.

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Lo que podemos hacer es mirar en detalle la estructura electrónica del hierro, sabemos que tiene un Z = 26 y una distribución electrónica: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2. En el caso del catión ferroso, ha cedido un par de electrones, acomodando dos cianuros que saturarían sus valencias. Si observamos en detalle los cianuros restantes, encontramos que tienen un par de electrones libres provenientes del nitrógeno, los cuales se acomodarían en los orbitales 3d, 4s y 4p del hierro que estarían disponibles conformando su esfera de coordinación, algo parecido a un fenómeno de hibridación sólo que sería sd. Esto comprendería también la modificación de la estructura espacial de la molécula correspondiendo a una bipirámide tetragonal. La figura 11 nos ilustra gráficamente la explicación que acabamos de escribir.

Figura 11. Esquemas de la esfera de coordinación y de la estructura espacial del K4Fe(CN)6 Algunas de estas reacciones tienen importancia en el análisis cualitativo para la identificación específica de algunos cationes metálicos70, que incluso pueden ser usados con fines cuantitativos en las técnicas de absorción de energía luminosa como lo veremos en la próxima unidad. En las técnicas volumétricas suele tener importancia la determinación de algunos metales utilizado el ligante del ácido etilendiaminotetracético EDTA o de su sal de sodio, debido a que es mucho más soluble, además se considera como un estándar primario por lo que no es necesario estandarizarla, como la solución es incolora y tampoco desarrolla colores cuando se compleja con el catión metálico se utilizan indicadores que lo forman cuando interactúan con el catión. Una vez se inicia la titulación, son eliminados del indicador hasta cambiar completamente el color. Esos indicadores son específicos para los metales como en el caso del negro de eriocromo T usado en valoración de calcio, magnesio, plomo, zinc y cadmio, la murexida para valorar calcio, cobalto, níquel y cobre, el cromo azurol S en la titulación de hierro y cobre o la púrpura de ftaleína para el bario y el silicio. 4. La técnica de la volumetría. Una vez estudiadas cada una de las posibles formas de emplear la titulación dependiendo del tipo de reacción química por utilizar, ahora establezcamos las condiciones en que experimentalmente o en el laboratorio desarrollamos estos procesos. 4.1 Condiciones.

70 Si está interesado (a) en profundizar sobre este tema, puede recurrir al texto: RAMÍREZ, Inés Bernal de, y otros. Química analítica. Op. Cit., p. 217 – 274.

4 p 4 s 3 d

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Fe

CN

CN

CN

CN

CN CN

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Primero vamos a discutir el material volumétrico utilizado y las precauciones en su uso aunque ya se dieron algunas recomendaciones en la primera unidad, especialmente en lo relacionado con el error y la exactitud que pueden tener estas técnicas en la determinación química de sustancias de interés. 4.1.1 El material volumétrico. Las técnicas volumétricas, como ya se ha mencionado anteriormente, se basan en la comparación de volúmenes de sustancias de concentración conocida contra los volúmenes medidos de las sustancias de concentración desconocida, luego su equipo fundamental son los balones aforados, las buretas, las pipetas y las probetas. Materiales elaborados en vidrio al boro silicato preferentemente para evitar el ataque químico sobre todo de las soluciones alcalinas, aunque por prevención se prefiere almacenarlas en recipientes de plástico que son más resistentes. Están diseñados y calibrados por el fabricante para verter una cantidad conocida de líquido a 20 ºC, pero es necesario para la obtención de resultados más exactos la calibración de los mismos, generalmente estableciendo el peso de agua destilada y haciendo las relaciones de corrección por empuje de las pesas de la balanza y de dilatación por la temperatura del material. Haremos algunos comentarios al respecto cuando estemos describiendo las características de cada uno de ellos; en nuestro trabajo experimental no incluimos estas técnicas debido a lo escaso del tiempo y a la necesidad de ilustrar otras técnicas más importantes para su formación profesional. 4.1.1.1 Matraces o balones aforados. Son recipientes diseñados para contener un determinado volumen, por ello se tienen de 25, 50, 100, 250, 500 y 1000 mL, que el fabricante ha marcado con una línea grabada en el cuello del mismo; por lo general se busca que el fondo del menisco coincida con la línea de enrace. Tienen una tapa esmerilada o de teflón que le da cierta hermeticidad sobre todo para poder homogenizar la solución final mediante agitación. El fabricante cumple con especificaciones definidas por el National Bureau of Standards relacionadas con la construcción, forma, dimensiones, posición de los trazos de calibración, diámetros del cuello y tolerancia de la capacidad indicada. Se pueden calibrar por comparación con las ampollas de calibración del Morse – Blalock o por peso de la cantidad de agua que contienen hasta el enrace, efectuando las correcciones de densidad del agua por temperatura, corrección por expansión del vidrio por diferencia de temperatura y de empuje de la balanza utilizada. Efectuadas dichas correcciones es necesario identificar el balón correspondiente para sumar o disminuir la diferencia de volumen encontrada en dicha calibración. Como todo material de vidrio, es necesario manejarlo a la temperatura de calibración, si necesariamente se tiene que usar modificando la temperatura, establecer condiciones para que ocurra en equilibrio térmico con el medio ambiente y necesariamente se debe volver a calibrar. Para su limpieza basta un cepillo, jabón detergente y suficiente agua destilada, verificando que escurre de manera homogénea sin fraccionamientos grasos de la película de agua. 4.1.1.2 Pipetas graduadas y aforadas. Recipientes de vidrio que entregan volúmenes de líquidos. Las graduadas pueden hacerlo parcialmente, mientras que las aforadas entregan un volumen total definido por su capacidad hasta una marca en el mismo aparato. Generalmente se utilizan de 5, 10, 25 y 50 mL aunque existen las llamadas micro pipetas que lo hacen en volúmenes muchísimo más pequeños. En trabajos con equipos de espectrofotometría se usan de 1, 2, 3 y 5 mL; por ser equipo de precisión y se construyen siguiendo especificaciones del National Bureau of Standards (NBS) como en el caso de los balones aforados. Se calibran midiendo el peso del volumen de agua que entrega en un recipiente de vidrio previamente tarado; es decir, al que se le ha determinado exactamente su peso en una balanza analítica y dejando que escurra la última gota tocando la pared del recipiente. Por ningún motivo se debe soplar una pipeta para expulsar el

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agua residual de la punta de la misma, efectuando la medida varias veces se puede saber exactamente el volumen que entrega la pipeta y que corresponderá al que se debe registrar cuando la utilicemos. Por ningún motivo se debe pipetear utilizando la boca, para llenarla se recurre a una pera de goma, la cual tiene válvulas que ayudan a regular la entrada y la salida del líquido. El uso de la misma se lo dirá el instructor de laboratorio en el momento en que tenga que utilizarla. 4.1.1.3 Buretas. Es un cilindro de vidrio con una llave de paso de teflón, que entrega volúmenes muy precisos. En el trabajo volumétrico se utilizan de 25 y de 50 mL de capacidad y su escala permite efectuar medidas precisas de 0,05 mL. Las normas de construcción del NBS establecen que entre dos trazos adyacentes deben tener el espacio de 1 mm; los trazos deben cubrir al menos la mitad de la circunferencia de la sección transversal de la bureta y cada intervalo de diez divisiones deben tener un trazo que cubra toda la circunferencia de esa sección, la longitud de la parte graduada de la bureta no debe exceder de 70 cm y disponer de un tiempo de entrega no mayor a 3 minutos. Se calibra mediante el peso de agua entregado por pequeños volúmenes (p.e., cada 5 mL) hasta alcanzar su capacidad final. Al momento de cargar la bureta, es necesario verificar que el vástago debajo de la llave contenga líquido y nada de burbujas ya que puede cambiar a lo largo de la determinación cuantitativa ocasionando errores groseros. 4.1.1.4 Probetas. Cilindros de vidrio que tienen una escala graduada en su pared, utilizado para la medida algo precisa de volúmenes relativamente grandes sin necesidad de utilizar las pipetas o la misma bureta que si los entregan un poco más exactos. Todo material de vidrio debe estar perfectamente limpio y sus paredes internas libres de grasa, por ello después de su uso se lavan muy bien con cepillo o churruzco (de ser posible) y una solución de detergente, después se juaga muy bien con agua destilada, controlando que no exista fractura en la película homogénea que queda o zonas con aspecto graso típico; si ello ocurre, es necesario lavar nuevamente utilizando técnicas apropiadas que les puede indicar el instructor. Al momento de utilizar cualquier equipo volumétrico es necesario juagarla con un poco del reactivo para evitar su dilución y después si llenarlo, llevar hasta el afore y realizar el proceso de disposición final del mismo según las instrucciones del procedimiento. Esta técnica se denomina purgar el equipo volumétrico. 4.2 Metodología de la titulación. Vamos a realizar una descripción de los dos procedimientos que se suelen utilizar en el laboratorio en estas determinaciones, como evento preparatorio a las experiencias que debe realizar en el laboratorio. De hecho que estas orientaciones tienen sentido al desarrollarlas en la práctica, sirven para que se prepare mentalmente en la ejecución de las mismas; su instructor es de gran ayuda para minimizar los errores. 4.2.1 Preparación de soluciones. Los reactivos más comunes son sólidos y líquidos, esto significa que para preparar las soluciones a utilizar en el laboratorio se requiere realizar un conjunto de operaciones preliminares para obtenerlas. Digamos que vamos a preparar el estándar primario o la solución de un reactivo sólido como el hidróxido de sodio en perlas. Lo primero es disponer de un vidrio de reloj, un pesa sustancias o un pequeño vaso de precipitados (de 50 mL) al que taramos o, mejor, determinamos su masa en la balanza analítica de precisión. Fuera de la balanza, se toma un poco del reactivo sólido del recipiente donde se almacena utilizando una

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espátula y se deposita en el material de vidrio tarado, nuevamente se determina la masa en la balanza analítica tratando de no manipular tanto el recipiente con los dedos sino con una pinza para crisol para no cometer errores de masa debido a la grasa natural que tenemos en la mano. Aquí el analista debe tener una medida dada por la experiencia para tomar la cantidad de sustancia requerida para la solución. Una vez pesada, ya se puede tomar con la mano y transferirla a un vaso de precipitados para dar inicio a la disolución de la misma, con ayuda de un frasco lavador, se añade agua y con un agitador de vidrio se homogeniza. En el caso de la base se genera calor, siendo necesario proteger la mano y los ojos de posibles proyecciones sino se hace cuidadosamente, se sigue diluyendo con agua destilada hasta un volumen cercano al de la solución y se transfiere al balón aforado y se completa a volumen usando el frasco lavador. Se tapa y se homogeniza agitando circularmente cuidando de no hacer derramaderos. Para el caso del patrón primario, se transfiere a un erlenmeyer lavando cuatro veces el vaso y el agitador para garantizar la transferencia cuantitativa de toda la sustancia que ha sido pesada. Luego se añade unas gotas del indicador y se da inicio a la titulación siempre y cuando el reactivo valorante no sea auto indicador en cuyo caso no se adiciona. La preparación de reactivos es más simple cuando se trata de uno líquido, en éste se toma la cantidad requerida en una probeta y se adiciona al agua destilada contenida en un vaso de precipitado limpio; si se trata de una sustancia como un ácido, este proceso genera mucho calor por lo que es necesario adicionar lentamente y con agitación continua ayudado de un agitador de vidrio para poder distribuir uniformemente la energía térmica generada sin que vaya a producir proyecciones que afecten la concentración de la sustancia por pérdida, o lo más grave, ocasionarle quemaduras en la piel o en los ojos, de ahí la importancia de que en el equipo de laboratorio siempre tenga unas gafas puestas y sin lentes de contacto. Una vez adicionado todo el reactivo y permitiendo la disminución de la temperatura puede pasar la solución al balón aforado, juagar muy bien el vaso y añadir esas aguas de lavado al balón y completar al afore utilizando el frasco lavador. No olvide homogenizar luego de colocar la tapa mediante rotación. 4.2.2 Estandarización de las soluciones. Algo ya mencionamos en la parte anterior. Se pesa el estándar primario y se disuelve en un poco de agua destilada, se transfiere cuantitativamente a un erlenmeyer y dependiendo de las condiciones de la reacción se agrega un indicador externo o se modifica la temperatura. Luego se carga en la bureta luego de ser juagada con el reactivo de titulación, se llena con un vaso pequeño teniendo cuidado de tener la llave cerrada hasta un poco más arriba de la primera marca, después se abre un poco la llave y se recoge el excedente en el vaso utilizado para llenarla cuidando de no dejar en el vástago burbujas de aire y verificando que la llave abre y cierra sin dificultad y sin ocasionar derrames por los lados, lo que sería fatal en el momento del ensayo. Una vez llena la bureta y enrazada a cero, coge el erlenmeyer con la mano derecha y la llave de la bureta con la izquierda y va adicionando pequeños volúmenes y agitando el sistema para que la reacción sea rápida y controla el cambio de color durante la adición, los analistas expertos comienzan añadiendo las cantidades de reactivo mediante una vuelta completa de la llave, giro ocasionado con la mano que tiene la llave, y continúan así hasta el momento en que la desaparición del color del indicador es muy lenta. Aquí regulan la llave para entregar gota a gota de modo que en el momento en que persista el color tenue del indicador (al menos de un segundo) se suspende la adición y se hace una primera medida del volumen consumido directamente de la bureta. Si ha desaparecido, añaden otra gota y esperan hasta que persista al menos por un minuto mostrando el punto final. Como lo puede deducir, el analista no espera hasta que ocurra un cambio franco de color sino aquel que puede percibir en un corto tiempo. No olvide que estas mediciones también se hacen por duplicado para determinar la reproducibilidad del resultado y la precisión del mismo como lo mencionamos en la primera unidad. 4.2.3 Alícuota o volumen de la muestra. En esta etapa se da inicio a la valoración de la sustancia problema la cual también se encuentra en solución. Para su medición se recurre a la pipeta aforada, normalmente de 25 mL, aunque muchas veces el método indica la que se debe utilizar. Como se mencionó antes, la toma se debe realizar mediante una pera de

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caucho, por ello es necesario que se entrene varias veces en su manejo utilizando agua destilada. Una vez adquirida la destreza de preparación, aspirada de volumen y entrega dentro del erlenmeyer donde se va a efectuar la titulación, realiza la toma de muestra y añade el indicador siempre y cuando la técnica lo requiera y se procede a efectuar la titulación. 4.2.4 Purga y carga de la bureta. Como lo mencionamos en el aparte de la estandarización de la solución valorante, se realiza la preparación de la bureta. Para ello se juaga con agua destilada para eliminar restos de reactivo, a no ser que sea la misma sustancia la que se vaya a utilizar para la valoración del problema, en cuyo caso lo que hacemos es llenarla empleando un vaso de precipitados, se ajusta a la marca de cero teniendo cuidado de no cometer el error de paralaje. Este se debe a la posición que tiene la marca de cero con respecto al ojo del analista; lo óptimo es efectuar la medición en sentido perpendicular a la bureta, es decir observándola directamente, no en ángulos por encima o por debajo ya que la apreciación que se tiene es distinta. Mientras se desarrolla la habilidad adecuada para la medición, se aconseja tener una tarjeta blanca con una línea negra trazada en el centro, que se coloca detrás de la marca de cero y el observador se coloca al frente y busca la mejor posición de coincidencia de las dos marcas y con ella controla el menisco o forma arqueada que toma la solución dentro de la bureta (lo mismo que en la pipeta). El mejor procedimiento es hacer coincidir el fondo del menisco con la marca de cero, a no ser que el solvente sea muy coloreado que realmente impida detectarlo, en cuyo caso el enrace se hará con la superficie externa del menisco que está en contacto con la pared interna de la bureta. Esto puede parecernos algo complejo de comprender pero se hará más fácil ya en el trabajo experimental 4.2.5 Titulación de la muestra. Listo el erlenmeyer con la alícuota y el indicador, se toma con la mano izquierda utilizando los dedos pulgar e índice para sujetar el cuello y efectuar el movimiento de rotación del frasco mientras que con la derecha se sujeta la llave de la bureta y se comienza a girar para que haga entregas uniformes y rápidas o, mientras adquiere la destreza, efectuar la adición gota a gota relativamente rápida, se agita el erlenmeyer rápidamente hasta que desaparezca el color del indicador. Como lo mencionamos al momento de estandarizar la solución, es necesario controlar el tiempo que dura el color del indicador; al inicio de la titulación es muy corto, pero a medida que nos acercamos al punto final, se demora mucho más en desaparecer por lo que se debe controlar cuidadosamente la adición del valorante. Cuando se demore más de un minuto, hemos alcanzado el punto final y debe ser muy tenue; un color intenso del indicador indica que nos hemos sobrepasado y hay error, siendo necesario repetir el ensayo, sin embargo al registrar el volumen titulado, podemos en la repetición añadir rápidamente un volumen inferior a 10 mL del registrado y luego seguirla gota a gota hasta obtener el color tenue del indicador en el tiempo indicado No olvide la necesidad imperiosa de efectuar las determinaciones mínimo por duplicado para poder reportar los resultados como lo aprendimos en la unidad anterior. 4.2.6 Registro de resultados. Como en la gravimetría, el cuaderno de laboratorio es la herramienta fundamental para el registro de los datos de la muestra, la forma de obtención, las determinaciones efectuadas y el orden de los mismos utilizando tablas como lo hemos mencionado anteriormente. Es necesario que usted adquiera ese hábito y que se lo reforzará su profesor (a) tutor (a), como parte de los requisitos para la aprobación de este curso. 4.3 Manejo de datos y expresión de resultados. Dependiendo de la técnica volumétrica, se expresarán los resultados correspondientes; como en el caso de la gravimetría, es necesario efectuar cálculos utilizando los correspondientes factores volumétricos, sobre todo debido a las alícuotas tomadas y a la expresión de las concentraciones en unidades químicas que siempre están relacionadas a volúmenes de un litro, a pesos o a fracciones molares. Por ello, al expresar los resultados de cualquier ensayo, es necesario que verifique la forma en que los debe reportar (porcentajes, relaciones

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masa/volumen, volumen/volumen, unidades químicas/unidades físicas). Parte de ello lo estaremos trabajando en el laboratorio.

ACTIVIDADES DE LABORATORIO En estas actividades prácticas, tendrá la oportunidad de aplicar sus conocimientos teóricos trabajados en esta unidad en la resolución de problemas prácticos que se suelen encontrar en el campo de los alimentos, especialmente en actividades relacionadas con la investigación y el control de calidad. Las determinaciones que va a efectuar comprenden a trabajos que debe realizar utilizando métodos cuantitativo clásicos de la gravimetría y la volumetría, por ello es necesario tener presente las indicaciones ya estudiadas y practicadas en la unidad anterior relacionadas con las normas de seguridad, los elementos de protección que debe traer al laboratorio, la preparación conceptual y de organización previas al mismo y, lo más indispensable su cuaderno de laboratorio. Conjuntamente con su tutor (a) deberán establecer el cronograma de trabajo ya que aunque parecen muchas prácticas, es posible realizarlas en una sesión de dos días siempre y cuando se distribuya adecuadamente el tiempo, se puedan realizar algunos ensayos en paralelo ya que algunas de ellas requieren cierto tiempo, aunque controlado, no exige de su plena dedicación quedándole “tiempo libre” que puede utilizar para iniciar otra práctica que puede terminar mientras la otra está en ejecución. Esto significa que necesariamente requerimos de un ejercicio de planeación eficiente que optimice nuestro proceso de aprendizaje con la oportunidad de cumplir con los propósitos del curso. Las prácticas por realizar son: humedad y volátiles, extracto etéreo y fibra cruda, uno de los procedimientos utilizados en el análisis de los alimentos, cenizas y determinación de calcio por permanganometría donde combinaremos gravimetría con volumetría Redox, determinación del índice de acidez y determinación de nitrógeno, como aplicaciones de la volumetría ácido – base, determinación del contenido de sal en una muestra alimenticia para demostrar la utilización de la técnica argentométrica de Volhard y finalmente, determinación del índice de yodo en grasas para mostrar la técnica de yodometría, quedando ilustrado todo el componente teórico trabajado en la unidad. El compromiso de parte del estudiante, le permitirá realizar exitosamente estas experiencias y complementar mucho mejor su aprendizaje.

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HUMEDAD, VOLÁTILES, EXTRACTO ETÉREO Y FIBRA CRUDA EN ALIMENTOS.

En la primera actividad de la Unidad uno de este curso, mencionamos el sentido del análisis bromatológico o de alimentos, describiendo los principales ensayos que lo componen, aquí vamos a seguir una secuencia debido a la facilidad de trabajar con la misma muestra por lo que debemos ser muy cuidadosos en su manipulación para evitar los errores groseros y necesariamente efectuar las determinaciones por duplicado para poder establecer la exactitud de nuestros ensayos. El agua no es un nutriente, sin embargo forma parte de casi el 80 % de los alimentos en su mayoría y se requiere para el funcionamiento de las reacciones metabólicas, el control de la temperatura en los animales de sangre caliente, por su momento dipolar alto es un buen solvente (disuelve aminoácidos, electrolitos) que permite el movimiento de las sustancias metabólicas. También es un factor de conservación de los alimentos ya que es necesario controlar su contenido y el equilibrio en sitios de almacenamiento. El contenido de humedad es un índice de la estabilidad, calidad, rendimiento y cantidad de sólidos que tiene un determinado alimento. Cuando está en contacto con el ambiente, se presentan tres fenómenos a considerar: el equilibrio que mantiene con la humedad relativa, la capacidad de adsorción que pueda presentar el alimento y la transferencia que pueda presentar al estar en contacto con otros o con el mismo ambiente hasta alcanzar un determinado equilibrio. Esta técnica tiene conceptos muy simples, comprende el peso de una muestra, secarla a una temperatura dada, enfriar y determinar la pérdida de masa; la determinación experimental es muy compleja porque depende de las características de la muestra, la facilidad de descomposición de la misma (oxidación de ácidos grasos insaturados, fenoles entre otros), la pérdida de otras sustancias volátiles debidas a aromas u otros componentes de la misma (aceites esenciales, etanol o ácido acético). La exactitud requerida depende del producto analizado, el propósito del análisis y las exigencias legales. El agua en un alimento se encuentra en tres formas: como solvente permitiendo la dispersión de los cristaloides de azúcares, sales, ácidos de bajo peso molecular y de macromoléculas hidrofílicas como proteínas, gomas, compuestos fenólicos y otros presentes como coloides; adsorbida a las superficies de las estructuras del alimento como una especie de capa mono o polimolecular asociada mediante fuerzas intermoleculares o por caliparidad y en combinación química como agua de hidratación o de gelificación. Los métodos de determinación del agua contenida en el alimento cuentan con esas fuerzas ya que por lo general pueden llegar a la determinación de la denominada agua libre, es decir aquella que se evapora fácilmente en las condiciones del ensayo. El fundamento de la técnica que vamos a experimentar es la pérdida de agua y algunos volátiles de poca importancia al secar la muestra en una estufa a temperatura constante hasta obtener un valor permanente luego de dos determinaciones de masa. Es necesario tener en cuenta que esta técnica no se aplica a alimentos con mucho aroma o que se descompongan a 100 ºC. En la misma determinación podemos calcular la humedad y el contenido de sólidos totales que tiene el alimento. Una vez seca la muestra, podremos determinar sobre la misma la cantidad de grasa o extracto etéreo mediante la extracción con solvente en caliente. Se recupera el solvente, se seca la muestra grasa y se pesa. Los lípidos contenidos en los alimentos no se encuentran dispersos debido a que son hidrofóbicos, de cadena carbonada muy compleja y frecuentemente están asociados a estructuras celulares del alimento (formación de membranas). Sin embargo su determinación es compleja porque depende del tipo de alimento y muchas veces se requiere utilizar técnicas para su descomposición en las unidades más sencillas cuidando de no modificar sus propiedades químicas (principalmente evitando la oxidación); los solventes utilizados en la extracción corresponde a éter, éter de petróleo o cloroformo, sin embargo la técnica indica que tipo de sustancia y que solvente se puede utilizar en la determinación analítica.

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Por último, la fibra cruda representa un conjunto de carbohidratos que los animales monogástricos no podemos digerir pero que tienen una importante función en el movimiento de los desechos de la digestión dentro del tracto digestivo. Representa el contenido de lignina y de celulosa que contiene un determinado alimento. Se fundamente en la hidrólisis ácida y luego básica de una muestra previamente desengrasada con éter de petróleo, que es pesada seca y luego incinerada y vuelta a pesar; la diferencia encontrada en las dos determinaciones de masa representa la fibra cruda presente en el alimento analizado. Procedimiento 1) Humedad y volátiles. Pesar una cápsula de porcelana limpia y seca, luego de haberla dejado en la estufa a una temperatura de 100 a 102 ºC por quince minutos, luego de dejarla enfriar en un desecador71, utilizando la balanza analítica. Manipule la cápsula con una pinza para crisol. Determine exactamente la masa a 5 gramos de la muestra de alimento de su interés en la cápsula de porcelana, registre el dato en el cuaderno de laboratorio. Lleve a la estufa con temperatura entre 100 y 105 ºC y deje al menos seis horas. Pasadas, tome la cápsula con una pinza y colóquela en el desecador hasta que se enfríe, pésela y pase nuevamente a la estufa, deje una media hora, saque, enfríe y pese. Si la diferencia no es mayor de 1 a 3 mg puede terminar la determinación analítica. Utilice el último peso registrado. No olvide efectuar la determinación por duplicado. 2) Extracto etéreo. Tomar las muestras secas y pasarlas cuantitativamente a un dedal de extracción de Soxhlet. Si no lo dispone, tome una hoja circular de papel de filtro de 15 cm de diámetro y a 5 cm de uno de los bordes dóblelo y coloque en ese espacio al centro la muestra seca, luego a otros 5 cm del borde y perpendicular al doblez anterior haga otro cubriendo la muestra, repita lo mismo en el otro lado de modo que tiene una especie de sobre dentro del cual está la muestra, por el extremo libre enrróllelo y colóquelo dentro del recipiente de extracción. El balón, normalmente de 100 mL o recipiente de recibido del extracto, si utiliza un extractor Goldfish, debe ser previamente tarado como lo hizo con la cápsula de porcelana en la determinación anterior. Determine su masa con exactitud. Luego añada 50 mL de éter de petróleo. Monte el aparato siguiendo las instrucciones del instructor de laboratorio, asegúrese de mantener agua en el refrigerante, caliente cuidadosamente y permita la extracción continua por unas tres horas o hasta que verifique que el solvente que sale del sitio de extracción es incoloro. Apague la fuente de calor. Deje enfriar el sistema, retire la muestra, monte nuevamente y caliente hasta recuperar la mayor cantidad posible del éter de petróleo. No olvide manipular con pinzas o con guantes el recipiente de recolección del extracto para no aumentar el peso del mismo. Coloque el recipiente con el extracto graso en una estufa de secado a 100 – 102 ºC y controle hasta que haya desaparecido el olor al solvente. Pase al desecador, deje enfriar y determine la masa exactamente. Registre sus resultados en el cuaderno de laboratorio. No olvide efectuar la determinación por duplicado. 3) Fibra cruda.

71 Al dejar enfriar muestras en el desecador, por ningún motivo vaya a cerrar completamente la tapa ya que puede sellarla por diferencia de temperatura que genera al interior un vacío dificultando enormemente la apertura de la misma, demorando la experiencia.

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Pase la muestra desengrasada cuantitativamente a un recipiente del equipo de determinación de fibra cruda, si no es posible, páselo a un balón de fondo redondo de 500 mL. Agregue 0,5 g de asbesto y 200 mL de solución de ácido sulfúrico que contenga 1,25 g/ 100 mL, monte el equipo o al balón colóquele un refrigerante en la boca y proceda a calentar por 30 minutos. Utilizando un crisol poroso, para filtración o de Gooch, recupere el sólido remanente y lávelo hasta fin de acidez controlando con un papel indicador. Pase cuantitativamente el residuo recuperado en el crisol de filtración al balón de fondo redondo o al vaso del equipo, añada 200 mL de una solución de hidróxido de sodio que contenga 1,25 g/100 mL y caliente a reflujo por otros 30 minutos. Filtre nuevamente en el crisol de Gooch, lave hasta fin de basicidad con agua caliente, seque en la estufa de 100 a 102 ºC hasta peso constante. Registre el dato en su cuaderno de laboratorio. Calcine el crisol en una mufla de 500 a 550 ºC hasta obtener cenizas grises o blancas, más o menos una hora. Pase a un desecador y una vez frío determine su masa exactamente. Registre sus datos en el cuaderno de laboratorio. Expresión de resultados. Puede utilizar las siguientes fórmulas para expresar los porcentajes de cada una de las determinaciones efectuadas:

I. Humedad, volátiles y sólidos totales. Peso de la muestra = W1. Pérdida de peso = W2. Peso de la muestra seca = W3. Porcentaje de humedad = (W2/W1)* 100. Porcentaje de sólidos totales = (W3/W1)* 100.

II. Extracto etéreo. Peso de la muestra = W1. Peso del recipiente vacío = W4. Peso recipiente y extracto = W5. Porcentaje de extracto etéreo = [(W5 – W4)/ W1]* 100.

III. Fibra cruda. Peso de la muestra = W1. Peso material insoluble = W6. Peso de cenizas = W7. Porcentaje de fibra cruda = [(W6 – W7)/ W1]* 100. Informe. No olvide presentar a su tutor(a) el documento conteniendo los resultados de esta experiencia luego de haberla trabajado en su grupo de estudio y siguiendo los lineamientos dados en la primera unidad.

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ÍNDICE DE ACIDEZ Determinación analítica relacionada con la concentración de hidronios disponibles que presenta un determinado alimento o producto alimenticio. La acidez es una propiedad que presentan los alimentos y que muchas veces está relacionada con el metabolismo de los organismos vivos de donde proviene y se utiliza con fines analíticos para determinar propiedades relacionadas con su conservación. En la leche y derivados lácteos puede determinar el grado de frescura, es decir, como han sido obtenidos y si se han observado los procedimientos que se siguen para su conservación. En el caso de la leche cruda, si se deja cierto tiempo en contacto con el aire y a temperatura ambiente, se agria detectándose por cambios en aroma y sabor característicos, un descenso en el pH y un incremento en la cantidad de ácido láctico. No obstante, existen productos madurados donde se busca, de forma controlada, aumentar su acidez. Otro ejemplo es la carne; cuando el ganado ha sido subalimentado o sometido a intenso ejercicio antes del sacrificio, por procesos normales de metabolismo se disminuye el contenido de glucógeno en el músculo, que impide la disminución del pH y la desnaturalización de las proteínas al alcanzar su punto isoeléctrico, disminuyendo la capacidad de retener agua, propiedad favorable para la textura y la pigmentación de la carne. El pH queda en valores de 6,6 y la cantidad de ácido láctico es muy pequeña, produciendo una carne de baja calidad. En frutas y hortalizas se puede presentar variaciones en su carácter ácido debido a la presencia o ausencia de ácidos orgánicos provenientes de la degradación de los carbohidratos que producen principalmente ácido cítrico y ácido málico. El contenido de ácido varía con las fases de maduración y senescencia, pero en las frutas tienen un rango de 2,4 (cítricas) hasta 5,0 (banano), mientras que en los vegetales el rango va de 5,0 a 7,0. Los ácidos más abundantes en los tejidos vegetales son el cítrico y el málico; el primero predomina en las frutas cítricas, fresa y piña y en los vegetales en las papas, leguminosas, tomate y hortalizas de hoja. El ácido málico se encuentra en manzanas, ciruelas, albaricoques y en los vegetales en la lechuga, brócoli y coliflor. Otros ácidos importantes son el oxálico que se encuentra en las espinacas y el tartárico en las uvas. En los cereales y derivados, la determinación de la acidez es una prueba utilizada para evaluar la calidad del grano y de la harina puesto que dependiendo del grado de infestación y la humedad pueden ocurrir fermentaciones indeseables, responsables de la aparición de ácidos que normalmente no se encuentran en esos productos.

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En la determinación analítica de la acidez se suele expresar los resultados en el ácido más importante. Para el caso que nos ocupa, complementamos con la fórmula y el peso equivalente de los ácidos más comunes: Ácido cítrico: (C6H8O7) CH2 – COOH | HO – C – COOH Eq = P.F./ 3 = 64 g/Eq. | CH2 – COOH Ácido málico: (C4H6O5) HO – CH – COOH | Eq = P.F./2 = 67 g/Eq. CH2 – COOH Ácido tartárico: (C4H6O6) COOH | HO – C – H | Eq = P.F./2 = 75 g/Eq. H – C – OH | COOH Procedimiento. 1) Preparación de solución de hidróxido de sodio. Efectúe los cálculos para preparar 250 mL de una solución 0,1 N de hidróxido de sodio partiendo del reactivo analítico. Pese la cantidad calculada en una balanza gramera utilizando un vaso de precipitados de 250 mL, añada agua destilada recién hervida, agite hasta disolver y controle la temperatura antes de transferirla a un balón aforado de 250 mL, cuando esté fría, transvásela y complete a volumen utilizando un frasco lavador. Homogenice la solución y pásela a un frasco de plástico ya que por ser una solución alcalina puede atacar el vidrio del balón aforado. No olvide marcar el frasco con el nombre de la sustancia y la fecha de preparación. 2) Estandarización de la solución de hidróxido de sodio. La solución anteriormente preparada no es un estándar primario, debido a la facilidad de hidratación y de carbonatación que presenta el hidróxido de sodio en perlas, por ello es necesario estandarizarla contra biftalato de potasio que si cumple las condiciones de un estándar primario. Mediante titulación con una masa conocida del patrón primario, podremos efectuar la determinación de la concentración exacta de la solución de hidróxido de sodio recién preparada. En un vidrio de reloj o en un vaso de precipitados de 50 mL, pese exactamente 0,5 g del biftalato ácido de potasio, calidad reactivo analítico, previamente secado a 100 – 102 ºC y conservado dentro del desecador. Registre la masa en su cuaderno de laboratorio. Disuelva en un poco de agua destilada recién hervida y transfiera cuantitativamente a un erlenmeyer de 250 mL, añada dos a tres gotas de solución alcohólica de fenolftaleína al 1 %.

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Purgue y cargue la bureta con la solución recién preparada de hidróxido de sodio y afore a cero. Titule la solución de biftalato hasta obtener una coloración rosa que persista 30 segundos. Registre en su cuaderno el valor obtenido y no olvide efectuar la determinación por duplicado. Realice el cálculo correspondiente y escriba en la etiqueta del frasco la concentración en normalidad de la solución con dos cifras significativas. 3) Determinación del índice de acidez. Dependiendo de su interés y de la muestra que ha traído al laboratorio (vinagre, encurtidos, frutas cítricas, leche, harina, vino, uvas), establezca previamente con su tutor (a) el tratamiento previo por realizar al tipo de muestra o consultando los métodos definidos por la literatura para obtener la solución del ácido. Los alimentos líquidos necesariamente hay que efectuar una dilución (excepto la leche que se toma la alícuota directamente y se titula) como ocurre con el caso del vinagre y del encurtido donde se debe tomar una alícuota de 10 mL y se diluye en un balón aforado de 100 mL. De allí se toma una alícuota de 25 mL a la que se adiciona tres gotas del indicador fenolftaleína y se titula con la solución estandarizada de hidróxido de sodio hasta color rosado persistente por 30 segundos. Lo importante es que su titulación no sobrepase los 25 mL o hasta 50 mL, correspondientes a la escala de la bureta utilizada en la titulación para minimizar errores de procedimiento, sin perder la exactitud del método que sigue manteniendo hasta la segunda cifra decimal. Cálculos. La determinación de la normalidad de la solución de hidróxido de sodio se puede efectuar con la siguiente fórmula: N = masa biftalato/(volumen consumido NaOH)Eq biftalato. EqBIFTALATO = 204,22 g/Eq. En todos los casos, el resultado se debe reportar en gramos del ácido principal presentes en 100 mL o gramos de muestra. Elabore el informe correspondiente conforme a las indicaciones dadas.

DETERMINACIÓN DE NITRÓGENO EN ALIMENTOS Las proteínas, además de su importancia nutricional tienen un papel importante en sus propiedades organolépticas, textura debidas a interacciones con los lípidos y los carbohidratos o, como en el caso de la harina de trigo, un índice de su capacidad de panificación. Los métodos utilizados en su determinación se fundamentan en la determinación de un elemento o un grupo específico y luego calculando el contenido de proteína utilizando un factor empírico ya establecido. El más universal es la determinación de nitrógeno y luego considerando que compone el 16 % de cualquier proteína, es fácil determinar la cantidad total presente en la muestra analizada. El método de análisis de proteínas más exacto y confiable se basa en la determinación de nitrógeno según Kjeldahl, la cual se aplica a una gran variedad de compuestos orgánicos. Primero, la muestra se digiere

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químicamente con ácido sulfúrico en ebullición junto a un catalizador el cual convierte todo el nitrógeno orgánico en una sal de amonio. La solución se alcaliniza para convertirlo en amoniaco, que se destila y se absorbe sobre un exceso conocido de ácido clorhídrico acuoso. El exceso de ácido clorhídrico sin reaccionar se titula luego por retroceso con hidróxido de sodio. Inicialmente el método contempla la recolección del amoniaco destilado en solución de ácido bórico y luego la valoración con ácido clorhídrico estandarizado, utilizando una mezcla de indicadores (rojo de metilo y azul de metileno) que permite efectuar la determinación a un pH de 5,4. Las reacciones las habíamos establecido en la actividad 1 de la primera unidad. Procedimiento. 1) Preparación de reactivos.

Catalizador. Mezclar 18,77 g de sulfato de cobre penta hidratado, 900 g de sulfato de potasio y 0,4 g de selenio finamente pulverizados, homogenice y guarde en un frasco de vidrio oscuro debidamente marcado. En algunos casos se consigue en forma de pastillas, por lo que se recomienda utilizarlas.

Ácido bórico. Pesar 20 g de ácido bórico, disolver y completar a 1 L; antes de aforar adicione 6,5 mL del indicador de Tashiro. La solución debe quedar de un color morado pálido que virará a verde brillante cuando tiene exceso de amoniaco.

Indicador de Tashiro. Mezclar 50 mL de solución alcohólica de azul de metileno al 0,05 % con 50 mL de solución alcohólica al 0,1 % de rojo de metilo. Este indicador no dura mucho tiempo.

Ácido sulfúrico concentrado. Grado analítico. Hidróxido de sodio al 40 %. Almacenar en recipiente plástico ya que ataca fácilmente al vidrio,

perdiendo su título. Ácido clorhídrico 0,1 N. Debidamente estandarizado.

2) Digestión. Dependiendo del tipo de equipo disponible en el laboratorio se tienen dos métodos que vamos a describir aquí:

Macro método. Pesar exactamente 2 g de la muestra y pasar a un balón de Kjeldahl de 750 mL. Agregar 10 g del catalizador y 20 mL de ácido sulfúrico concentrado. Calentar en el digestor o sobre una llama, con el balón inclinado 40 º dentro de una vitrina de gases hasta que la muestra se licúe y presente al final un color verde claro. Dejar enfriar y agregar cuidadosamente y agitando unos 250 mL de agua destilada.

Micro método. Pese exactamente 0,2 g de la muestra y pasar a un balón de Kjeldahl de 100 mL, añada 5 mL de ácido sulfúrico concentrado y 1 g del catalizador. Caliente hasta obtener una solución de color verde claro. En ambos casos debe estar girando los balones para evitar sobrecalentamientos.

3) Destilación. El destilado se recibe sobre 50 mL de solución de ácido bórico contenidos en un erlenmeyer de 250 mL, buscando que el extremo del refrigerante quede algo sumergido dentro del erlenmeyer. Al balón de Kjeldahl se le adicionan dos o tres granallas de zinc; de 50 mL (balón micro) a 100 mL (balón macro) de hidróxido de sodio al 40 %, sin agitar, resbalando por las paredes y cerca al equipo de destilación para minimizar las pérdidas de amoniaco. Algunos equipos de destilación traen un embudo con llave que facilita esta operación. Se conecta a una trampa de Kejdahl, agitar cuidadosamente el balón, calentar a ebullición hasta casi destilar la mitad del contenido del balón o hasta pH neutro. (Puede controlar con papel tornasol rojo). Suspender la destilación, sacar cuidadosamente el extremo sumergido en el erlenmeyer, lavar con agua destilada ayudándose del frasco lavador y colocar otro erlenmeyer conteniendo unos 150 mL de agua

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destilada para que efectúe el proceso de lavado inverso del equipo. Asegúrese de tener los balones bien asegurados ya que esa succión es muy fuerte. 4) Titulación. Purga, carga y enrasa la bureta con la solución de ácido clorhídrico previamente estandarizada. Comienza a efectuar la titulación cuidadosamente hasta que la solución pase del verde brillante al morado que tenía inicialmente, registre en su cuaderno de laboratorio los datos respectivos. No olvide efectuar la determinación por duplicado. Se recomienda efectuar una titulación a un blanco de reactivos, para determinar la cantidad de ácido clorhídrico requerido para hacer virar la solución. Cálculos. Puede utilizar la siguiente fórmula para determinar el contenido de nitrógeno hallado: W = Peso de la muestra (g). V1 = Volumen de ácido clorhídrico requerido en el blanco (mL). V2 = Volumen de ácido clorhídrico requerido en la muestra (mL). N = Normalidad de la solución de ácido clorhídrico utilizada. Determinación de contenido de nitrógeno: El factor 1,4 corresponde a la conversión por peso equivalente entre el ácido clorhídrico y el nitrógeno. Determinación de proteína cruda:

Porcentaje proteína cruda = Porcentaje Nitrógeno (factor). El factor que se debe utilizar es 6,38 para leches y derivados; 5,70 para cereales y 6,25 para el resto de productos alimenticios. Informe. Entregue a su tutor (a) un documento escrito con los resultados obtenidos, teniendo en cuenta las orientaciones dadas en la primera unidad. Reporte el error obtenido comparando el contenido con los valores reportados para el alimento en las tablas de composición de alimentos colombianos publicados por el Instituto Colombiano de Bienestar Familiar.

(V2 – V1) N Porcentaje Nitrógeno = 1,4 W

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CENIZAS Y DETERMINACIÓN DE CALCIO POR PERMANGANIMETRÍA

Las cenizas corresponden al residuo inorgánico proveniente de la incineración de la materia orgánica. Su composición y cantidad depende de la naturaleza del alimento calcinado y del método correspondiente. Los derivados lácteos líquidos tienen del 0,5 al 1 %, mientras que las grasas y los aceites prácticamente no contienen cenizas, en la margarina, mayonesa y aceites para ensaladas contienen principalmente cloruro de sodio; en las frutas depende del contenido de humedad, frescas pueden contener entre 0,2 al 0,8 % mientras que en secas pueden alcanzar el 3,5 %, las nueces van del 1,5 al 2,5 %. En los peces del 1 al 2 %, en carnes, especialmente las procesadas, puede llegar al 12 %. Los elementos minerales que generalmente se determinan en las cenizas de algunos alimentos son el calcio y el fósforo (harinas, leches y sus derivados). En esta práctica se utilizarán los fundamentos de la permanganimetría con el fin de determinar el contenido de calcio presente en algunas de estas muestras que seleccionará el estudiante según su interés. Al calcinar una muestra de algunos de los anteriores alimentos, se obtienen cenizas, las cuales se encuentran en formas de óxidos o de carbonatos como es el caso del calcio. Al tratar las cenizas con ácido clorhídrico para facilitar su disolución, el carbonato sufre una reacción ya conocida:

CaCO3 + 2 HCl → CaCl2 + CO2 + H2O Si añadimos oxalato de amonio a la solución que contiene calcio y mantenemos un medio básico tamponizado con cloruro de amonio, podremos precipitar cuantitativamente el calcio disuelto:

CaCl2 + (NH4)2C2O4 → CaC2O4 ↓ + 2 NH4Cl El precipitado lo dejamos madurar para que adquiera un tamaño adecuado facilitando la filtración y posterior lavado del exceso de reactivo, que más adelante puede interferir en la determinación cuantitativa. Posteriormente, adicionamos ácido sulfúrico para poner en libertad el ácido oxálico del precipitado, que corresponde a la especie analítica a valorar por permanganometría:

CaC2O4 + H2SO4 → H2C2O4 + CaSO4 La titulación se hace en caliente para poder hacerla rápida y cuantitativa:

C2O42 - + MnO4

- + 8 H+ → Mn2 + + 2 CO2 + 4 H2O

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Como un mol de oxalato reacciona con un mol de calcio, los pesos equivalentes dependen del número de electrones transferidos por la molécula durante la reacción, así el oxalato libera dos electrones luego su peso equivalente será la mitad del peso fórmula; mientras que para el calcio será semejante: la mitad del peso molecular. Se pueden presentar algunas interferencias en el método; todos los metales, excepto los alcalinos forman oxalatos insolubles, sin embargo el magnesio no precipita cuando se tiene el buffer de amoniaco – cloruro de amonio. El permanganato de potasio no es un estándar primario a pesar de obtenerse con gran pureza, debido a la facilidad de oxidación que presenta por lo que es factible su contaminación con estas sustancias mediante polvo y trazas de sales amoniacales en el agua destilada, las cuales pueden bajar el título siendo necesario estandarizarla contra oxalato de sodio. Procedimiento 1) Determinación de las cenizas. El estudiante selecciona la muestra de interés (harina o queso). En un crisol de porcelana previamente tarado72 a 500 – 550 ºC en la mufla se determina exactamente la masa de 3 g de la muestra homogenizada. Se registran los datos en el cuaderno de laboratorio. Inicialmente se calcina la muestra en la vitrina y utilizando un mechero bunsen de modo que se reduzcan a cenizas lo más posible, evitando el ahumado de la mufla al colocar directamente la muestra. Finalizado el proceso, se termina en la mufla durante tres horas, verificando que se ha logrado cenizas blancas o grises o hasta obtener un peso constante. Para los cálculos se utiliza el último dato registrado. 2) Solubilización de las cenizas. Una vez determinado el peso de las cenizas, se añade 5 mL de ácido clorhídrico (1:1) y se evapora en la vitrina utilizando un baño de maría. Repite el tratamiento dos veces más. Luego monte un embudo de filtración y recibe en un vaso de precipitados de 250 mL y comienza a lavar con agua caliente hasta fin de cloruros, ensayo que puede comenzar a realizar después de unos 10 lavados para no cometer errores. El ensayo consiste en recoger una gota del filtrado que sale del vástago del embudo y añadir una gota de solución de nitrato de plata, si aparece precipitado blanco lechoso todavía se tienen cloruros. Para finalizar el lavado se requiere que no aparezca el precipitado. Finalizado, transferir el filtrado cuantitativamente a un balón aforado de 100 mL, completar a volumen y homogenizar. No olvide marcar el balón. 3) Preparación de la solución de permanganato de potasio 0,1 N. Efectúe los cálculos de la masa de permanganato de potasio que debe pesar para preparar 250 mL de una solución 0,1 N, partiendo del sólido. Pese, disuelva en agua, transfiera cuantitativamente, complete a volumen y homogenice la solución. Transfiera a un frasco oscuro y márquelo con el nombre del reactivo y la fecha de preparación. Se recomienda prepararla unos días antes de efectuar su estandarización para que se estabilice su título.

72 Siempre que utilicemos la expresión material tarado, significa que se ha colocado en la estufa o la mufla por una hora, se ha dejado enfriar y luego se determina exactamente su masa. Se debe manipular con una pinza para crisol y en un desecador.

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4) Estandarización de la solución de permanganato de potasio. Pesar exactamente en un vidrio de reloj, pesa sustancias o vaso de precipitado de 50 mL 0,3 g de oxalato de sodio previamente secado en la estufa a 100 – 105 ºC, disuelva con agua destilada y pase a un erlenmeyer de 250 mL y añada 100 mL de ácido sulfúrico (5 mL en 95 mL de agua, hervido previamente para oxidar toda la materia orgánica), calentar casi a ebullición (70 ºC). Para efectuar la titulación y evitar quemarse los dedos, utilice una pinza para condensador. Purgar, cargar y enrasar la bureta con la solución de permanganato de sodio anteriormente preparada. Comience a titular la solución de estándar contenida en el erlenmeyer hasta obtener un ligero color rosado que persista 30 segundos. Registre en su cuaderno el volumen consumido. No olvide efectuar un duplicado y calcular la normalidad de la solución de permanganato y marcarla en el frasco que la contiene. 5) Determinación del calcio. Tomar una alícuota de 25 mL, de la solución guardada en el balón aforado de 100 mL y pasarla a un vaso de precipitados de 250 mL, añadir tres gotas de fenolftaleína al 1 %, calentar a ebullición y adicionar lentamente una solución de hidróxido de amonio (1:1) hasta reacción alcalina. Añadir 10 mL de la solución saturada de oxalato de amonio, mantener la ebullición por 5 minutos agitando permanentemente, dejar en reposo el precipitado de oxalato de calcio durante una hora y luego filtrar. Lavar con agua caliente hasta fin de cloruros, pasar el papel con el precipitado a un erlenmeyer de 250 mL, añadir 100 mL de agua destilada y 10 mL de solución de ácido sulfúrico (1:1), agitar para disolver el precipitado, agarrar el recipiente con una pinza para condensador y calentar a ebullición. Una vez caliente comenzar a titular con la solución estandarizada de permanganato de potasio hasta obtener la coloración rosada persistente por 30 segundos. Registrar el volumen consumido y efectuar un duplicado. Cálculos. No olvide determinar la concentración de la solución de permanganato. El contenido de calcio se expresa como porcentaje o mg/100 g de muestra. Informe. No olvide preparar su informe en su grupo de aprendizaje colaborativo, siguiendo las indicaciones de la primera unidad y entregarlo a su tutor (a) para valoración e información de retorno. Puede determinar el cálculo de error comparando sus resultados con los reportados en la tabla de composición de los alimentos.

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DETERMINACIÓN DE CLORUROS MEDIANTE LA TÉCNICA DE VOLHARD

El cloruro de sodio es una sal soluble en agua, favoreciendo su determinación por volumetría de precipitación con nitrato de plata en un medio débilmente acidificado con ácido nítrico. Las sustancias que pueden interferir en la técnica son las sales de plata de los aniones bromuro, yoduro, tiocianato, cianuro y sulfuro que también precipitan en las condiciones de la determinación analítica, o la presencia de agentes reductores del catión plata como el estaño (II), hipofosfitos, formaldehído, hidroquinona y celulosa. Por ello, cuando se trabaja con sustancias de origen orgánico se deben calcinar antes de realizar el análisis. Conviene anotar que los haluros de plata son sensibles a la luz directa o a la artificial semejante a la diurna por lo que puede presentarse un obscurecimiento artificial que no afecta el resultado final. La determinación de cloruros se puede realizar mediante dos técnicas, la directa o de Mohr, utilizando como indicador el ion cromato para obtener un precipitado de color rojo – naranja en el punto final de la reacción de valoración, o indirecta como la técnica de Volhard que utilizaremos en el esta determinación analítica. Sobre una alícuota de la solución problema, se añade un exceso conocido de nitrato de plata, El exceso se valora por retroceso utilizando una solución estandarizada de tiocinato de potasio utilizando una solución de alumbre férrico como indicador.

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La ventaja de esta técnica es la posibilidad de determinar el punto final claramente, siempre y cuando se elimine el haluro de plata formado ya sea mediante filtración o añadiendo un volumen de nitrobenceno a la suspensión para recubrirlo y permitir que el exceso de nitrato de plata reaccione con el tiocianato sin que ocurra reacciones secundarias del haluro de plata con el tiocinato que ocasionaría errores en la determinación final. Procedimiento. 1) Preparación solución estándar de nitrato de plata. Efectúe los cálculos para preparar 250 mL de una solución de nitrato de plata 0,1 N. En un vaso de precipitados de 50 mL, pese exactamente la cantidad de nitrato de plata requerida, disuelva en agua destilada y transfiera a un balón aforado de 250 mL y complete a volumen. Transvase a un frasco color ámbar y etiquételo con el nombre de la sustancia y la fecha de preparación. 2) Estandarización de la solución de nitrato de plata. Se suele establecer que el nitrato de plata puede ser un estándar primario y con la determinación de su masa exacta se puede efectuar el cálculo de concentración de la misma; sin embargo en trabajos más estrictos si se exige la estandarización de la misma contra cloruro de sodio, reactivo analítico, efectuando la valoración directa de Mohr. Dejo en manos del tutor (a) la posibilidad de efectuar esta parte si la considera necesaria o si realmente exige un grado de precisión alto en el resultado esperado en la determinación del contenido de cloruro de sodio en la muestra que haya decidido analizar. En un vidrio de reloj, una pesa sustancias o un vaso de precipitados de 50 mL, determine la masa exacta a 0,1 g de cloruro de sodio reactivo analítico, transfiéralo analíticamente a un erlenmeyer de 250 mL. Agregue un mililitro de solución de cromato de potasio al 5 %. Purgue, cargue y enrace la bureta con la solución de nitrato de plata recién preparada. Comience a titular hasta que obtenga un tenue color rojo – naranja. Prepare un blanco tomando un volumen de agua semejante al usado con el estándar, añada una pizca de carbonato de sodio y titule hasta el color rojo – naranja. Descuente ese volumen del que obtuvo con la titulación del estándar para mayor exactitud. No olvide efectuar el ensayo por duplicado. Efectúe los cálculos y registre el valor de normalidad hallado en la etiqueta del frasco. 3) Preparación de la solución de Tiosulfato o tiocianato de amonio o potasio 0,1 N. Efectúe los cálculos para preparar 250 mL de una solución 0,1 N de tiocianato de amonio o de potasio conforme a la disponibilidad de reactivo en el laboratorio. Pese exactamente la cantidad del reactivo requerido en un vidrio, pesa sustancias o vaso de precipitado de 50 mL, diluya con agua y transfiera cuantitativamente a un balón aforado de 250 mL, complete a volumen y homogenice. Transfiera a un frasco de vidrio y márquelo con una etiqueta indicando el nombre de la solución y la fecha de preparación. 4) Estandarización de la solución de tiosulfato. Tome una alícuota de 25 mL de nitrato de plata y deposítela en un erlenmeyer de 250 mL, agregue 10 mL de ácido nítrico 6 M, 25 mL de agua destilada y 5 mL del indicador cromato de potasio. Titule hasta obtener un ligero color rojo – naranja.

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5) Preparación de la muestra. Recomendamos que el estudiante consiga un encurtido que contenga sal, ya que si trabaja con alimentos procesados al que se le ha añadido sal, por ejemplo papas fritas, queso, habas, maní o mezclas de nueces es necesario triturar la muestra, tomar una cantidad exacta de 10 g y calcinarla a 500 – 550 ºC en una mufla. Las cenizas obtenidas se deben disolver en agua a un volumen de 100 mL. Con el encurtido tomamos una alícuota de 10 mL, se pasa a un balón aforado de 100 mL, se completa a volumen y se homogeniza. Es necesario que en el cuaderno quede registro de esas diluciones para efectos de cálculo. 6) Valoración de Volhard. De la muestra se toman 25 mL con una pipeta aforada, se transvasa a un erlenmeyer de 250 mL, agregue 10 mL de ácido nítrico 6 M incoloro, si no lo está se debe hervir hasta que se torne incoloro; se añaden, utilizando la bureta, 100 mL de la solución estandarizada de nitrato de plata, homogeniza por agitación, se añade 2 mL de nitrobenceno y 1 mL de alumbre férrico amónico al 5 %. Con otra bureta previamente purgada, cargada y enrazada a cero con solución de sulfocianuro de amonio o de potasio 0,1 N, previamente preparada y estandarizada, se comienza a titular el exceso de plata hasta la aparición de una coloración rojiza débil que se mantiene por cierto tiempo. Puede efectuar un blanco para determinar el color del indicador en ausencia de muestra. Cálculos. Además de realizar la determinación de las concentraciones de las dos soluciones utilizadas en la práctica, es necesario reportar los resultados como masa de cloruro de sodio en 100 gramos de muestra. Informe. No olvide realizar el documento escrito, luego de discutir los resultados con su grupo de aprendizaje colaborativo, teniendo en cuenta las indicaciones dadas en la primera unidad. Revise si existen datos de contenido de sal en el alimento que usted utilizó para efectuar la determinación y calcule el error.

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ÍNDICE DE YODO EN ACEITES COMESTIBLES Es una de las determinaciones analíticas más importantes ya que permite la clasificación de las grasas y definición de cuidados especiales en los procesos de manufactura y de almacenamiento de los mismos conforme a estándares de calidad. El índice de yodo o número de yodo, corresponde al número de gramos de yodo que pueden reaccionar con 100 gramos de muestra. El método, en esencia, es adicionar una cantidad de yodo a una muestra exactamente pesada del aceite, esperar un determinado tiempo y valorar la cantidad del halógeno que no ha reaccionado. Existe dos técnicas para la determinación de este índice: la de Wijs y la de Hanus, sin embargo la primera es la más utilizada debido a que sus resultados se acercan muchísimo a los teóricos, teniendo en cuenta la composición del aceite, mientras que la de Hanus debe su bondad a la estabilidad del reactivo. En ambos casos se corre al tiempo del ensayo un blanco utilizado para determinar la cantidad de halogenante utilizado y remanente en las condiciones del ensayo. En esta práctica utilizaremos la técnica de Wijs. Procedimiento. 1) Preparación de la solución halogenante de Wijs. Pesar 13 g de yoduro y disolver con ácido acético glacial, calentando suavemente si es necesario, añada 3 mL de bromo, transferir a un balón aforado de un litro, completar a volumen y homogenizar. Pasar a un frasco oscuro, marcar con el nombre y la fecha de preparación. Almacene en un lugar fresco. 2) Preparación de otros reactivos. Prepare una solución de yoduro de potasio al 15 % utilizando agua destilada recién hervida y enfriada. Se debe preparar al momento de efectuar el ensayo en las cantidades requeridas debido a su inestabilidad: se oxida fácilmente liberando yodo. Pese 1 g de almidón, reactivo analítico, dilúyalo en agua destilada caliente o hirviendo mediante agitación, complete a 100 mL y pase a un frasco gotero. Márquelo con el nombre del reactivo y la fecha de preparación. 3) Preparación de la solución de tiosulfato de sodio 0,1 N. Efectúe los cálculos para preparar 250 mL de la solución, pese exactamente el reactivo en un vidrio de reloj, pesa sustancias o vaso de precipitados de 50 mL, diluya con agua destilada y transvase cuantitativamente a un balón aforado de 250 mL, complete a volumen, homogenice y transfiera a un frasco de vidrio. Márquelo con el nombre y la fecha de preparación. 4) Estandarización de la solución de tiosulfato de sodio 0,1 N.

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Secar previamente entre 100 y 110 ºC, una masa de yodato de potasio, reactivo analítico, durante una hora y dejar enfriar dentro de un desecador. Pesar exactamente 0,2 g del yodato y transferirlo cuantitativamente a un erlenmeyer de 250 mL y añadir 50 mL de agua destilada recién hervida y fría, añadir 2 g de yoduro de potasio, agitar hasta disolución y agregar 16 mL de una solución de ácido clorhídrico preparado a partir de 1 mL del ácido concentrado en 15 mL de agua destilada. Purgue, cargue y enrase una bureta con solución de tiosulfato y comience a valorar el yodo librado en el erlenmeyer hasta la desaparición del color amarillo, agregue 2 mL de la solución acuosa de almidón y continúe hasta que desaparezca el color azul. Registre en su cuaderno de laboratorio el volumen consumido. Haga el ensayo por duplicado. 5) Preparación de la muestra. Consiga una muestra de aceite comestible comercial y determine en la literatura si en secante, semisecante o no secante. Lo puede hacer consultando las normas ICONTEC. Pese exactamente utilizando un erlenmeyer de 250 mL 0,1 g del aceite secante, 0,3 g si es semisecante y de 0,4 g si no es secante, registre los datos en su cuaderno de laboratorio. Añada 10 mL de cloroformo, agite. Luego adiciones 25 mL de la solución de Wijs o de yodo bromuro. Tape el erlenmeyer y deje en reposo por una hora, en un lugar fresco y oscuro, agitando cuidadosamente cada 5 minutos. Prepare un blanco con cloroformo y solución de Wijs, márquelo, tape y déjelo junto al erlenmeyer con la muestra. No olvide hacerlo por duplicado. 6) Determinación del índice de yodo. Pasado el tiempo, añada con pipeta aforada 10 mL de la solución de yoduro de potasio, agite y deje en reposo un minuto, haga lo mismo con el blanco. Después adicione 100 mL de agua destilada. Purgue, cargue y enrace a cero la bureta con la solución estandarizada de tiosulfato de sodio y comience a titular la muestra hasta que casi desaparezca el color amarillento de la solución, en ese momento adicione 1 mL de la solución de almidón, la cual si hay exceso de yodo inmediatamente toma color azul. Siga adicionando tiosulfato gota a gota hasta la desaparición de ese color. Registre el volumen consumido. Ahora, tome el erlenmeyer con el blanco y haga el mismo proceso. Registre el volumen consumido. No olvide efectuar el ensayo por duplicado. Cálculos. Ya sabe cómo se efectúan las operaciones para determinar la concentración de la solución valorante de tiosulfato de sodio. Para la determinación del índice de yodo, puede recurrir a la siguiente fórmula, las unidades finales son gramos de yodo/100 gramos de muestra del aceite:

126,9 100 Índice de yodo = (VBLANCO – VPROBLEMA)NTIOSULFATO 1000 WMUESTRA

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Informe. No olvide realizar la discusión de sus resultados en su grupo de trabajo colaborativo y presentar el informe a su tutor (a) para la correspondiente valoración e información de retorno, siguiendo las indicaciones establecidas en la primera unidad. Calcule el error de sus resultados teniendo en cuenta los valores de éste índice reportado en las normas ICONTEC.

ACTIVIDAD DE PROFUNDIZACIÓN Y TRANSFERENCIA

Los temas de esta unidad juegan un papel fundamental en el proceso formativo del futuro tecnólogo e ingeniero de alimentos. Considero que el proceso educativo iniciado con este material sería incompleto sin contar con el compromiso y el profesionalismo del colega que ejerce sus funciones como tutor. No lo concibo como un mero instructor, sino alguien que tiene un conocimiento y una experiencia que debe colocar al servicio del estudiante que emprende su aventura de adquirir conocimientos, habilidades y actitudes frente al trabajo académico de este curso.

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Si se ha seguido cuidadosamente el modelo académico – pedagógico de la UNAD, es el (la) tutor (a) quien puede dar fe de la eficiencia y la eficacia de la interacción estudiante – material didáctico, de los vacíos que pueden tener el módulo y el mismo estudiante, de modo que pueda diseñar estrategias remediales que ayuden a sobrepasar esa dificultad que puede desanimar al estudiante al no hallar la solución más adecuada a su dificultad de comprensión y de asimilación. Por ello, aprovecho esta ventaja competitiva del modelo para invitar al docente – tutor a que me colabore en garantizar el aprendizaje significativo de nuestro estudiante, al diseñar una actividad holística que envuelva los contenidos trabajados, la experiencia de laboratorio y la problemática que pueda detectar conjuntamente con los estudiantes en términos de hallar soluciones a problemas del área en el campo de los alimentos, especialmente los relacionados con medio para valorar y controlar la calidad de los mismos, como una opción de competitividad para mercados locales, nacionales y globales. De alguna manera invito a los estudiantes y a los tutores, me comuniquen los desaciertos de este material, que como toda obra humana debe perfeccionarse para que sea un medio de desarrollo de las estrategias de pensamiento autónomo que debe lograrse como parte del proceso formativo propuesto por la institución.

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TERCERA UNIDAD

MÉTODOS INSTRUMENTALES DE ANÁLISIS

1. Palabras clave.

Espectrofotometría, cromatografía, pH – metría, electrodo, celda.

2. Propósitos. Aquí trabajaremos los fundamentos teóricos de estos métodos de análisis en tres capítulos, se describirán los fundamentos de los instrumentos sin entrar en ningún modelo en particular ya que el fabricante suele hacer presentaciones específicas de sus equipos. Cuando se tenga la oportunidad de trabajar con algunos de ellos, lo mejor es recurrir a los respectivos manuales o al soporte técnico que suelen dar cuando se adquiere el equipo. Como la Universidad no tiene un modelo específico de equipo en sus laboratorios, es necesario que al momento de la práctica hable con el encargado del mismo para que lo ilustre y lo entrene en el uso de mismo. El último capítulo presenta las prácticas que se pueden realizar para que el estudiante escoja alguna de ellas, la adecue a sus necesidades conforme a la muestra que desee analizar.

3. Objetivos.

I. Determinar los fundamentos fisicoquímicos de los métodos analíticos instrumentales como pH – metría, espectrofotometría y cromatografía, los métodos de tratamiento de muestra, realización del análisis, tratamiento y análisis de los datos y reporte del informe.

II. Brindar al estudiante la posibilidad de utilizar algunas de las herramientas analíticas instrumentales para la realización de un análisis químico a una muestra de su interés.

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III. Elaborar un informe escrito donde explicite los resultados encontrados, los criterios para el análisis realizado y las recomendaciones para su mejoramiento o su rechazo.

4. Competencias.

Un amplio conocimiento de los métodos químicos aplicables a la determinación de propiedades químicas en muestras de productos, permitiéndole la selección, recomendación e interpretación de los resultados más apropiados conforme a criterios previamente definidos. La capacidad de realizar por su cuenta los análisis químicos de interés, responsabilizarse por el buen manejo de equipos, reactivos y materiales de vidrio en muestras previamente seleccionadas por él. Valorar apropiadamente los resultados y darles un manejo ético.

5. Metas de aprendizaje. Establecer su propio procedimiento para la selección de los análisis requeridos en una determinada muestra de su interés para establecer el cumplimiento de sus características químicas definidas como criterio de calidad. Establecer un conjunto de criterios que le permitan la obtención, procesamiento y análisis de datos provenientes de un método químico teniendo en cuenta conceptos, métodos y procedimientos analíticos recomendados previamente. Dar cuenta de los fundamentos químicos y físicos de los métodos clásicos de análisis y de los métodos instrumentales.

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ESQUEMA CONCEPTUAL DE LA UNIDAD

UN MÉTODO INSTRUMENTAL

REQUIERE:

PRINCIPIO EQUIPO PROCEDIMIENTO

BASADO: CON: COMO:

PROPIEDAD FÍSICA

FUENTE PORTAMUESTRA DETECTOR

CALIBRACIÓN

LA:

QUE:

COMO SON:

VARÍE DIRECTO

MEDICIÓN

Y:

MANEJO DE DATOS

pH - METRÍA ESPECTROSCOPÍA CROMATOGRAFÍA

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INTRODUCCIÓN Después de haber experimentado con los métodos clásicos de análisis y de comprender sus fundamentos, procedimientos y manejo de datos para determinar la precisión y la exactitud de un determinado análisis, ahora vamos a establecer como objeto de estudio los métodos instrumentales siguiendo el mismo modelo. El desarrollo de estos instrumentos analíticos ha nacido de la necesidad de efectuar mediciones de rutina relativamente rápidas, con un grado de precisión comparable a la de los métodos clásicos, incluso dentro del proceso de calibración que se requiere siempre se hace referencia a los métodos clásicos principalmente a la gravimetría o a combinaciones de las dos como lo veremos en algunos de ellos. Los fundamentos de los métodos instrumentales hacen referencia a una propiedad fisicoquímica particular de la sustancia por analizar y la existencia de una relación directa entre la variación de esa propiedad y la concentración de la misma al menos en un rango determinado que facilite efectuar dicha correlación. Esto ayuda muchísimo ya que se puede tener la posibilidad de ajustar la concentración de la sustancia a analizar a las condiciones de sensibilidad del método sin perder exactitud. Comenzaremos analizando las propiedades que se pueden utilizar con fines cuantitativos o a veces cualitativos, descripción general del equipo utilizado y el procedimiento normalmente aceptado para la aplicación en un método particular de análisis aunque se hace la salvedad de que, como en los casos anteriores, las técnicas y métodos ya suelen estar determinadas previamente siendo conveniente seguir sus indicaciones. El estudio dedicado, la consulta de la bibliografía y el trabajo con el grupo colaborativo, junto a la asesoría de su tutor(a) hacen que el éxito en su meta de aprendizaje sea alcanzado con éxito. Cualquier sugerencia para mejorar este material es bienvenida pues la intencionalidad es hacerlo lo más didáctico posible para que sea fácil su aprendizaje en las condiciones de la Educación a Distancia.

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TEMA 1

pH – METRÍA 1. Fundamentos de los métodos instrumentales. La experiencia ha mostrado que algunas propiedades fisicoquímicas de las sustancias pueden ser asociadas a propiedades como variaciones de corriente eléctrica continua, interacciones entre superficies o con radiaciones electromagnéticas, pero lo más interesante es que algunas de ellas tienen una relación directa con la concentración de esa sustancia y que suele ser característica de ella sirviendo a un doble propósito, identificación y cuantificación, esencia de la química analítica. En la mayoría de los casos esa relación suele ser lineal dentro de ciertos intervalos de concentración por lo que se requiere adecuar las condiciones experimentales para poder lograr dicha relación. La tabla 29 presenta una relación de las señales analíticas y los métodos en que se utilizan, para que tengamos una idea de este campo de desarrollo.

Tabla 29. Señales y métodos utilizados en análisis instrumental73.

Señal Métodos analíticos que miden la señal

Emisión de radiación Espectroscopia de emisión (rayos X, ultravioleta, radiación visible), fotometría de llama, fluorescencia (rayos X, ultravioleta, radiación visible), métodos radio químicos.

Absorción de radiación Espectrofotometría (rayos X, ultravioleta, radiación visible, infrarrojo), colorimetría, absorción atómica, resonancia nuclear magnética, espectroscopia de resonancia espín – electrón.

Dispersión de radiación Turbidimetría, nefelometría, espectroscopia Raman. Refracción de radiación Refractometría, interferometría. Difracción de radiación Rayos X, métodos de difracción electrónica. Rotación de radiación Polarimetría, dispersión óptica rotatoria, dicroísmo circular. Potencial eléctrico Potenciometría, cronopotenciometría.

73 SKOOG, Douglas A. WEST, Donald M. Análisis instrumental. 2 edición. México: Intramericana, 1985, p. 3.

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Corriente eléctrica Polarografía, amperometría, coulombimetría. Resistencia eléctrica Conductimetría. Razón masa a carga Espectrometría de masa. Velocidad de reacción Métodos cinéticos. Propiedades térmicas Conductividad térmica y métodos de entalpía. Masa Análisis gravimétrico. Volumen Análisis volumétrico. 1.1 Clasificación de los métodos instrumentales. Se han establecido tres clases según la propiedad utilizada:

Electroquímicos o electro analíticos: que tienen que ver con modificaciones en las propiedades eléctricas de las sustancias, especialmente en lo que tiene que ver con la conformación o participación en la constitución de celdas electroquímicas, tenemos la potenciometría, la electrogravimetría, la coulombimetría y la voltametría. Aquí estudiaremos a la primera especialmente en lo relacionado con el pH.

De separación: asociados a interacciones superficiales y a equilibrios entre fases como es el caso de la cromatografía en sus diferentes variantes: placa, papel, columna HPLC y gases entre otras.

Ópticos: relacionados con interacciones que presentan en el espectro electromagnético ya sea absorbiendo energía radiante o emitiéndola, trabajando principalmente la visible, infrarroja, ultravioleta y la absorción atómica.

En esta unidad trabajaremos aquellas técnicas que tienen aplicación en la industria de los alimentos y en el desarrollo de investigaciones en ellos. 1.2 Condiciones analíticas de los métodos instrumentales. Cualquier método instrumental requiere cumplir los siguientes requerimientos para producir resultados precisos y exactos:

Precisan de ser calibrados antes de su utilización. Se referencia a patrones o estándares que son generalmente trabajados mediante

gravimetría o volumetría o la combinación de las dos técnicas. Comprobar y permitir que el método se desarrolla dentro del rango de linealidad

establecido para el mismo. En esa forma es posible establecer comparaciones entre las diferentes técnicas analíticas para definir su sensibilidad como la encontramos en la figura 12.

Figura 12. Comparación de métodos analíticos.

FLUOROMETRÍA

FOTOMETRÍA

VOLTAMETRÍA

ELECTROGRAVIMETRÍA

POTENCIOMETRÍA

VOLUMETRÍA

ABSORCIÓN ATÓMICA

GRAVIMETRÍA

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2. Fundamentos de la pH – metría. El 20 de Marzo del año 1800 Alessandro Volta comunica por carta al presidente de la Royal Society de Londres la primera noticia de su invento: la "pila a colonna" (conocida hoy en día como "pila de Volta"). Volta inventó una serie de aparatos capaces de producir un flujo eléctrico. Para ello utilizó recipientes con una solución salina conectados a través de arcos metálicos. Conectando varios de esos recipientes consiguió la primera batería eléctrica de la historia. Para reducir complicaciones debido a la necesidad de utilizar soluciones, empezó a utilizar pequeños discos redondos de cobre y cinc y otros de paño o cartón en agua acidulada. De manera que los unía formando una serie: cobre, zinc, paño, cobre, zinc, paño, etc.; todos ellos apilados formando una columna. Cuando unía los extremos de la pila mediante un hilo conductor, al cerrase el circuito se obtenía una corriente eléctrica. Se encuentra relacionada con reacciones Redox, aprovechando las posibilidades de generación de corriente eléctrica que se puede poner a circular por un circuito externo y no dentro de la misma solución como lo hemos comprendido hasta ahora. Las celdas electroquímicas son artefactos que pueden generar corriente eléctrica o facilitar un fenómeno químico debido a la aplicación de corriente eléctrica. Están compuestas por dos elementos: los electrodos y una solución de electrolitos. Son de dos clases; galvánicas o voltáicas cuando generan corriente eléctrica y electrolíticas cuando consumen electricidad de una fuente externa cuando realiza un cambio químico. Una modificación a la pila de Volta y que vamos a utilizar para explicar el fenómeno electroquímico y su relación con la potenciometría es la pila de Daniell. Está formada por electrodos de zinc y cobre, cada uno sumergido en una solución de sulfato de zinc y de cobre respectivamente que conforman las semiceldas unidas por un puente salino normalmente formado con una solución de cloruro de potasio envasado en un tubo en U ya sea solidificado con agar o separado con unos tapones de algodón para que permitan el movimiento de iones. La figura 13 nos ilustra dicha pila:

Figura 13. Celda electroquímica de Daniell.

V

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Para orientarnos, el vaso de la izquierda contiene el electrodo de zinc con su solución de sulfato de zinc y el de la derecha, electrodo de cobre con solución de sulfato de cobre. Dentro de la celda ocurren los siguientes flujos eléctricos o de cargas; entre los electrodos de zinc y de cobre se genera un potencial eléctrico que permite el flujo de electrones entre ellos del zinc al cobre mediante el cable eléctrico que los une, al interior de las soluciones hay una migración de iones: los cationes van del zinc al del cobre y los aniones en sentido contrario y todos los iones participan en ese proceso. Entre el electrodo y la solución se cierra el circuito de conexión de movimiento eléctrico con el iónico ya que desde la solución se desplazan los electrones para formar los cationes correspondientes. Eso significa que en cada semicelda o vaso ocurren las siguientes reacciones:

Zn Zn2 + + 2 e-

Cu2 + + 2 e- Cu En la celda electroquímica aparece un cátodo, que se ha asociado con la reducción o sea ganancia de electrones, en nuestro caso corresponderá al electrodo de cobre, mientras que en el ánodo se presenta la oxidación, es decir la pérdida de electrones y que en nuestro caso corresponderá al electrodo de zinc. Como podemos ver, es una reacción en equilibrio y se generará potencial eléctrico hasta cuando alcance el equilibrio donde no habrá voltaje. Sin embargo, podremos, al menos en teoría, restituir el equilibrio si aplicamos una diferencia de potencial un poco mayor a la generada por la pila, y en este caso tendremos una celda electrolítica donde cambian las condiciones de la celda ¿cómo serían? Una anotación sobre la unión líquida utilizada para juntar las dos semiceldas. Estas evitan que se mezclen los componentes de los dos vasos, disminuyendo la eficiencia de la celda al ocurrir el depósito directo del cobre sobre el zinc, lo único por aclarar es que se genera adicionalmente un potencial de unión que se suele tener en cuenta en el balance eléctrico de la celda. Los químicos dedicados al trabajo con este tipo de celdas han desarrollado una nomenclatura que vale la pena conocer, sobre todo para comprender mejor la literatura especializada.

i. Se utilizan los símbolos químicos para indicar los elementos, iones o moléculas que componen la celda, seguidos de la indicación de su concentración o presión si se usa gases, encerrada en paréntesis cuadrados.

ii. Los límites entre fases, entre electrodo y su solución acompañante, o entre dos fases diferentes, se representa por una línea vertical, indicando que aparece una diferencia de potencial entre la fases y que hace parte de la fuerza electromotriz (F.E.M.) que produce la celda.

iii. La línea vertical doble nos indica la presencia de una unión líquida o puente salino.

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Siguiendo dicha notación es factible escribir la reacción que está ocurriendo en la celda. Apliquémoslo en el caso de la celda de Daniell:

Zn | ZnSO4 [M] ║ CuSO4 [M] | Cu

Cu + ZnSO4 CuSO4 + Zn ¿Cómo podemos hacer que no fluya corriente entre los electrodos y no cambien sus condiciones iniciales ni sus concentraciones al efectuar las medidas? La respuesta es introducir en el sistema una fuerza electromotriz en sentido inverso que neutralice la que se genera espontáneamente. Corresponde al principio de medición potenciométrica. Un potenciómetro es un artefacto que permite medir la fuerza electromotriz necesaria para contrarrestar una F.E.M., generada en una reacción química. Comprende una batería de potencial conocido que suministra la corriente necesaria para contraponerse a la que produce la celda bajo medición. El circuito contempla otra celda estándar que calibra a la batería de referencia; inicialmente se equilibra a cero el equipo con ella mediante la manipulación de un conmutador o reóstato. Después se mide la celda problema y se equilibra nuevamente el sistema hasta que los potenciales sean cero, ese desplazamiento se registra en una escala ya sea analógica o digital. La figura 14 muestra el fundamento del potenciómetro:

Figura 14. Esquema del potenciómetro. Revisando la figura anterior encontramos: B, la batería de potencial conocido que sirve de comparación para efectuar las mediciones con el potenciómetro (la línea más delgada representa el ánodo y la más grande el cátodo), tiene una resistencia R que sirve para equilibrar desviaciones o en algunos casos, variaciones debidas a la temperatura que pueda modificar la producción de F.E.M, un galvanómetro, cuya finalidad es establecer el

O M

R

G CR

CP

L

I

B

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equilibrio ya sea para la determinación del punto cero o para restablecer el equilibrio de ausencia de corriente en el circuito luego de efectuar la medición. CR corresponde a la celda estándar con la cual calibramos el aparato, mientras que CP representa a la celda problema, es decir, aquella a la cual vamos a medir su propiedad específica. Significa que primero calibramos la celda B contra esta, después efectuaremos la medición con el problema. La resistencia MO, corresponde a la escala de medición del aparato. Cuando efectuamos la medición de potencial de B o de CP, es necesario mover el reóstato L hasta hacer que el galvanómetro registre cero; en el primero tendremos el cero y en el segundo el potencial de la celda problema. El circuito se abre y se cierra mediante un interruptor I, conforme se realicen los pasos de calibración y de medición. La utilización de estas propiedades en la definición de la concentración para una sustancia requiere definir dos tipos de electrodos: uno de referencia, que mantiene su potencial constante ya que no es afectado por la generación de F.E.M., en la celda y otro indicador que si varía al modificarse la concentración de la sustancia (ya sea hidronios u otros elementos a los cuales ese electrodo sea sensible. 3. Equipo utilizado en pH – metría. De esta técnica analítica únicamente vamos a discutir su aplicación en la medición del pH, por ello, en la unidad anterior como trabajamos este concepto y la variación del mismo con el volumen de una solución valorante no es conveniente volverlo a tener en cuenta pero si es importante que tenga muy claro esos fundamentos ya que aquí nos limitaremos a describir el equipo y su uso para el registro de esas variaciones. En alguna forma, en las curvas de titulación experimentales que se logren desarrollar acá tienen que ver con las teóricas que trabajamos en volumetría ácido – base. El sistema instrumental para efectuar estas mediciones consta de dos electrodos, uno indicador y otro de referencia y el potenciómetro. Los electrodos indicadores son el electrodo normal de hidrógeno (E.N.H), el electrodo de calomel saturado y el electrodo de vidrio. Vamos a describir cada uno de ellos: 3.1 Electrodo Normal de Hidrógeno (E.N.H). Es un alambre de platino, paladio u oro, sumergido en una solución de hidronios, saturada con hidrógeno puro a una atmósfera de presión, su potencial lo establece la semirreacción:

2 H+ + 2 e- H2 Tiene una F.E.M., por convención de cero voltios ya que es una celda estándar. La notación de esta semicelda es:

Pt | H2 SATURADO, HCl [0,01 M] 3.2 Electrodo de calomel saturado.

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Es un tubo de vidrio que contiene mercurio metálico en contacto con una solución saturada de cloruro de mercurio, Hg2Cl2, usualmente 1 M. El calomel saturado estrictamente hablando tiene solución de cloruro de potasio conjuntamente con la de mercurio. Su potencial varía en la siguiente forma:

E = 0,0591 log [H3O+] Fórmula que nos facilita la construcción de la curva de titulación de manera experimental. La notación de esta semicelda es:

Hg |Hg2Cl2 SATURADO, KCl [X M] La concentración del cloruro de potasio varía entre 0,1 M y la saturación, dependiendo de la utilización según la temperatura. En trabajos analíticos corrientes se utiliza el que tiene los dos cloruros saturados. 3.3 Electrodo de vidrio. Corresponde al electrodo indicador, es decir, el que sufre variaciones directamente con la modificación de la concentración de hidronios presentes en la solución. Consta de bulbo de vidrio sensible al pH, al extremo de un tubo de vidrio de paredes gruesas, se llena con una solución de ácido clorhídrico 0,1 M, saturada con cloruro de plata, se sumerge un alambre de plata en la solución u luego si al cable externo que lo conecta al potenciómetro. La notación de este electrodo es:

| Membrana de vidrio |[H3O+], [Cl-] AgClSATURADO | Ag La celda para efectuar la medición del pH corresponde, entonces a una combinación de dos electrodos, uno de referencia y uno indicador. En la práctica se utiliza el electrodo de calomel saturado y el electrodo de vidrio; si miramos juiciosamente la escritura de los dos electrodos encontramos que en el electrodo de vidrio existe uno de referencia y es el de plata cloruro de plata saturado, la necesidad de disponer de este sistema es pode efectuar la medición de la variación de la diferencia de potencial que puede detectar la membrana de vidrio, ya que la notación del sistema completo sería:

Hg | Hg2Cl2 SATURADO, KCl SATURADO ║ [H3O+] | Membrana de vidrio | [H3O+], [Cl, 1M] AgCl SATURADO | Ag A los dos lados de la membrana de vidrio encontramos soluciones de hidronio de concentración diferente, el electrodo de referencia y el electrodo de vidrio deben detectarla para poder hacer que el potenciómetro funcione. Esto significa que la membrana de vidrio debe tener propiedades que ayuden a la determinación: ser altamente específico a la variación de concentración de hidronios, mantenerse en un ambiente húmedo para mantener su higroscopicidad y que minimicen el error alcalino. Este corresponde a que a pH muy bajos, superiores a 9,0, la membrana se hace sensible a otros iones como el sodio y otros cationes alcalinos, modificando su comportamiento. En raras ocasiones en las mediciones analíticas se alcanzan pH cercanos a 14. 4. Procedimiento.

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En la determinación potenciométrica de pH podemos efectuar dos tipos de mediciones: una es la determinación del pH de una solución y la otra es efectuar la determinación de la curva de titulación con el fin de determinar con mayor exactitud el punto final de la misma sin la necesidad de recurrir a un indicador de pH. En ambos casos es necesario efectuar la preparación previa de la muestra, la calibración del pH – metro y luego si la determinación ya sea del pH o de la variación del pH en función del volumen de titulante. Vamos, entonces, a describir cada uno de las anteriores etapas: 4.1 Preparación de la muestra. La sustancia a la que se le desea determinar su pH o a la muestra a la que se le desea conocer su concentración de iones hidronio, deben estar homogeneizadas como lo mencionamos en la primera unidad, pero deben garantizar que se encuentran como una pasta hidratada en agua o realmente en solución. Lo anterior, debido a que en algunas determinaciones de alimentos, caso frutas, vegetales o algunos cereales, se encuentran sólidos, requiriendo constituir la pasta hidratada para poder utilizar los electrodos del pH – metro, que como ya lo hemos estudiado, necesitan que la muestra esté húmeda. Si el producto o la muestra son líquidos, se puede efectuar la medición directa, caso leche, vinagre, vinos, cervezas, etc., salvo que si la concentración de hidronio es muy alta, es necesario efectuar diluciones medidas para poder ajustarla a las condiciones de medida del equipo. 4.2 Calibración del pH – metro. Para ello se recurren a dos soluciones patrones o búferes de pH exactamente conocido. El fabricante ya ha calibrado la celda B de referencia interna del equipo contra la variación del pH, como hemos hablado de errores del instrumento, este proceso nos garantiza un comportamiento uniforme del equipo dentro del rango de pH calibrado. Por ello se utiliza una solución buffer de pH 7,0 y luego de ajustar el equipo, otra de pH 4,0. En el trabajo experimental del laboratorio tendrá la oportunidad de conocer el proceso y de desarrollar las habilidades requeridas para el correcto manejo del equipo. Como estamos trabajando con soluciones de concentración conocida, es necesario observar precauciones tendientes a mantener su concentración por lo que antes de utilizarlas, se debe garantizar que el electrodo se encuentra limpio, humedecido adecuadamente; para ello se utiliza el frasco lavador y esta técnica: quita el tapón protector del extremo del electrodo que se encuentra con agua, juaga el electrodo con agua destilada, lo seca con un trozo de papel de filtro, luego lo sumerge en un vaso de precipitados que contiene la solución de buffer, enciende el equipo, efectúa la medida y hace los ajustes de lectura, apaga el equipo, juaga el electrodo lo seca y luego de efectuar la correspondiente calibración con la otra solución de buffer dispone del equipo listo para efectuar la medida. 4.3 Determinación analítica. Una vez calibrado el pH – metro procede a efectuar la determinación del valor de pH, para ello, introduce el electrodo en el centro de la pasta humedecida o en la solución, enciende el equipo, espera que se estabilice y registra en su cuaderno de laboratorio el valor

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obtenido. Apaga, saca el electrodo y lo lava con agua destilada secándolo con el trozo de papel de filtro; si no desea efectuar más mediciones, le coloca la cubierta plástica conteniendo un poco de agua destilada para mantenerlo humedecido. Si va a efectuar una titulación, debe realizarla dentro de un vaso de precipitados suficientemente grande para que contenga la solución problema, el electrodo (normalmente es único ya que las industrias han simplificado el equipo y en un mismo electrodo se encuentra el de referencia y el indicador) y un sistema de agitación que puede ser uno con varilla de vidrio manejado por el analista teniendo cuidado de no golpear el electrodo o si dispone de más recursos, tiene un agitador magnético (un imán recubierto de teflón que se puede hacer girar con un motor externo que también mueve otro imán) observando las mismas precauciones anteriores, la solución valorante se adiciona con la bureta, normalmente en un volumen determinado (p.e., 1 mL, 5 mL,…), con el equipo apagado y luego e homogenizar muy bien con el agitador, se determina el valor del pH registrando en el cuaderno de laboratorio el volumen y el pH obtenido. Este proceso se sigue hasta después de alcanzar el punto de equivalencia y obtener valores de pH superiores a 10,0. 4.4 Tratamiento de los datos. Si el propósito era efectuar la medición del pH del alimento, el valor obtenido luego de un duplicado es suficiente y se reporta el resultado. En el caso de efectuar una titulación ya se requiere manejar los datos para definir el volumen real de equivalencia ya que aquí no disponemos de ningún indicador de pH. Para ello se recurre al significado matemático de la curva de titulación en la cual podemos efectuar determinaciones de su pendiente, que significaría determinar la primera derivada, para hallar una tendencia en la misma. Observando cuidadosamente la forma de estas curvas, encontramos la presencia de un punto de inflexión, es decir, un punto donde la pendiente cambia de signo o de sentido; por lo general ese punto siempre coincide con el punto de equivalencia de la reacción, especialmente cuando la relación entre las dos sustancias es equimolecular74. En caso de que no ocurra, hay necesidad de verificar la rapidez de cambio del potencial alrededor del punto de equivalencia; si es muy grande, se puede utilizar cualquiera de las técnicas de definición del punto de inflexión de las curvas de titulación sin que se introduzca un error significativo en su determinación. Existen varios métodos para hallar ese punto como el de la bisección; si la curva es simétrica a ambos lados del punto de inflexión, se pueden proyectar líneas paralelas a la zona de la curva donde existe cierta linealidad, se define un cuadrado o un rectángulo al que se define su punto medio que se proyecta a la curva de valoración, su extrapolación al eje del volumen define el volumen de equivalencia del sistema. Otro es el método de ajuste del círculo, en el cual utilizando una plantilla con diferentes círculos, se ajusta el mejor a la forma curva de la figura de titulación, se trazan y luego desde su centro de giro, obviamente ayudados por un compás, se unen y el punto de intersección con la curva de titulación, proyectado al eje de volumen, permite determinar el punto de equivalencia. Aquí vamos a ilustrar el método matemático ya que puede ajustarnos mejor los dos puntos ya que el método gráfico depende de la habilidad del observador, mientras que en

74 DICK, J.G. Química analítica. México: Manual moderno, 1979, p. 245 – 254.

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el primero trata de seguir la tendencia que muestran los datos de la curva, además de no ser necesaria su gráfica. Para ello primero debemos calcular las variaciones de pH sobre la variación de volumen conforme a los datos, luego graficamos Δ pH/Δ V en función del volumen, no podemos evitar la construcción de la gráfica y ayudados con un curvígrafo, proyectamos los dos extremos de las curvas hasta que se crucen, el punto de corte se extrapola al eje horizontal para determinar el volumen de equivalencia que luego se utiliza en los cálculos. La posibilidad de efectuar esta determinación es que utilizamos el concepto de máximos y mínimos del cálculo diferencial: la variación de la curva en un cambio de sentido, define la posibilidad de hallar un mínimo. Desafortunadamente todavía no se ha encontrado la ecuación que define exactamente cada punto de la curva de pH en función del volumen. Otra forma es nuevamente calcular los valores entre las variaciones de ∆pH/∆V previamente hallados para encontrar las variaciones de ∆2pH/∆V2 y esos valores nuevamente graficarlos en función del volumen. Se obtiene otra curva que permite obtener con mayor exactitud el volumen de equivalencia de la titulación, independiente de si la relación es equimolecular o no. Para hacer comprensible este último método, vamos a realizar un ejemplo75. En una fábrica de levadura se desea conocer la composición en gramos por litro de una solución nutriente de Na2HPO4 y de Na3PO4, al titular potenciométricamente una alícuota de 25 mL de la mezcla con ácido clorhídrico 0,10 N, obteniendo los datos expresados en la tabla 30.

Tabla 30. Registro de la valoración de una solución de nutrientes de fosfatos con ácido clorhídrico.

Volumen

HCl (mL)

pH Volumen HCl (mL)

pH Volumen HCl (mL)

pH

0,0 11,90 13,0 8,40 30,9 5,50 5,0 11,60 13,5 8,10 31,2 5,20

10,0 10,75 14,0 8,00 31,3 4,85 12,0 9,70 15,0 7,72 31,4 4,50 12,2 9,50 21,0 6,95 31,5 4,20 12,4 9,15 25,0 6,50 31,6 4,00 12,5 9,00 30,0 6,05 31,8 3,92 12,6 8,80 30,5 5,80 32,0 3,80 12,7 8,70 30,6 5,75 32,5 3,60 12,8 8,60 30,7 5,70 33,0 3,50 12,9 8,50 30,8 5,60

Las reacciones que se suceden hasta el primer punto de equivalencia:

Na2PO4 + HCl → Na2HPO4

75 BERNAL de Ramírez, Inés y otros. Química analítica. Op. Cit., p. 412 – 417.

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Para el segundo punto de equivalencia:

Na2PO4 + HCl → NaH2PO4 Como con estas reacciones sólo se llegan a remplazar dos sodios de la sal, los pesos equivalentes serán: Na3PO4/2 y Na2HPO4/1. Para hallar los puntos de equivalencia procederemos a calcular los ∆pH y los ∆V para luego hallar la relación ∆pH/∆V y efectuar posteriormente la gráfica de ese valor en función del volumen. Cálculos que se muestran en la tabla 31.

Tabla 31. Datos para hallar los puntos de equivalencia de la titulación de la mezcla de sales de fosfato con ácido clorhídrico.

VOLUMEN HCl (mL) pH Δ pH Δ V Δ pH/Δ V

0,0 11,90 0,30 5,0 0,06

5,0 11,60 0,15 5,0 0,03

12,0 10,75 0,05 2,0 0,025

12,2 9,70 0,20 0,02 1,00

12,4 9,50 0,35 0,2 1,75

12,5 9,15 0,15 0,1 1,50

12,6 9,00 0,20 0,1 2,00

12,7 8,80 0,10 0,1 1,00

12,8 8,70 0,10 0,1 1,00

12,9 8,60 0,10 0,1 1,00

13,0 8,50 0,10 0,1 1,00

13,5 8,40 0,30 0,5 0,60

14,0 8,10 0,10 0,5 0,20

15,0 8,0 0,28 1,0 0,28

21,0 7,72 0,77 6,0 0,12

25,0 6,95 0,45 4,0 0,11

30,0 6,5 0,45 5,0 0,09

30,5 6,05 0,25 0,5 0,50

30,6 5,80 0,05 0,1 0,50

30,7 5,75 0,05 0,1 0,50

30,8 5,70 0,10 0,1 1,00

30,9 5,60 0,10 0,1 1,00

31,2 5,50 0,30 0,3 1,00

31,3 5,20 0,35 0,2 1,75

31,4 4,85

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0,20 0,1 2,00 31,5 4,50

0,30 0,1 3,00 31,6 4,20

0,20 0,1 2,00 31,8 4,00

0,08 0,1 0,80 32,0 3,92

0,10 0,2 0,50 32,5 3,60

0,20 0,5 0,40 33,0 3,50

0,10 0,5 0,20 Luego se traza la curva de ∆pH/∆V en función de V para hallar los dos puntos de inflexión, de donde se obtiene que el primer punto de equivalencia es 12,6 mL y el segundo corresponde a 31,5 mL. Le sugerimos que elabore la gráfica y confirme los anteriores resultados, si tiene alguna inquietud, no dude el consultar a su tutor (a). Por curiosidad científica, le reto a que haga el cálculo de la segunda derivada tanto de pH como de volumen utilizando los datos de las columnas tres y cuatro y efectúe la correspondiente división, después elabore la gráfica de ∆2pH/∆V2 en función de V y compare los resultados obtenidos con la primera y segunda gráfica.

ACTIVIDAD DE APRENDIZAJE 9

1. Construya las gráficas teóricas para las titulaciones de los siguientes sistemas ácido – base:

a) 25 mL de ácido clorhídrico 1 N titulado con hidróxido de sodio 1 N. b) 25 mL de ácido clorhídrico 0,1 N titulado con hidróxido de sodio 0,1 N. c) 25 mL de ácido clorhídrico 0,01 N titulado con hidróxido de sodio 0,01 N. d) 25 mL de ácido acético 0,01 N titulado con hidróxido de sodio 0,01 N. e) 25 mL de carbonato de sodio 0,01 N con ácido clorhídrico 0,01 N.

Las tres primeras gráficas hágalas en el mismo papel milimetrado, las otras en papeles diferentes pero en lo posible manteniendo la misma escala ya que luego debe compararlas. ¿Qué conclusiones obtiene?

2. En la titulación de 50,0 mL de una solución de KOH con ácido clorhídrico 0,105 N

empleando un pH – metro para seguir la titulación se obtuvieron los siguientes datos:

Volumen HCl (mL) pH

40,00 11,86 45,00 11,14 45,50 10,90 45,70 10,75 45,90 10,54 46,10 10,12 46,30 4,06 46,50 3,52 46,70 3,28

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47,00 3,08 47,50 2,86 48,00 2,72

Mediante la tabulación de ∆2pH/∆V2, determine el volumen de solución de HCl en el punto de equivalencia. Determine la molaridad de la solución de KOH.

3. En la titulación de 50,0 mL de una solución de un ácido monobásico débil con

hidróxido de sodio 0,096 N, efectuada con un pH – metro se obtuvieron los siguientes datos:

Volumen de NaOH (mL) pH

56,50 4,36 56,70 4,58 56,80 4,77 56,90 5,08 57,00 7,50 57,10 9.98 57,20 10,27 57,50 10,66

Elabore un cuadro de ∆pH/∆V y de ∆2pH/∆V y determine el punto de equivalencia. ¿Es posible determinar el grado de incertidumbre por acumulación de errores para este resultado? Si es asó ¿cómo se hace?

4. En la valoración potenciométrica de 60 mL de ácido clorhídrico 0,05 N con hidróxido de sodio 0,1 N se obtuvieron los siguientes datos:

Volumen HCl

(mL) Volumen

NaOH (mL) pH

60,0 0,0 1,30 60,0 10,0 1,54 60,0 20,0 1,90 60,0 25,0 2,23 60,0 28,0 2,64 60,0 30,0 7,00 60,0 32,0 11,43 60,0 35,0 11,72 60,0 40,0 12,00

Construya las gráficas de pH en función del volumen y las de ∆pH/∆V en función del volumen y de ∆2pH/∆V2 en función del volumen, determine el punto de equivalencia y compruebe si es el mismo que obtiene si trabaja la ecuación de neutralización utilizada en volumetría.

5. Averigüe los tipos de errores que se pueden presentar en esta técnica y

compruebe el grado de exactitud establecido para el método de pH – metría.

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TEMA 2

ESPECTROFOTOMETRÍA Corresponden a un conjunto de métodos que utilizan la interacción de la energía radiante con los enlaces de las moléculas permitiendo la movilidad electrónica ya sea absorbiéndola o emitiendo a una longitud de onda característica, de manera proporcional a la concentración de la sustancia dentro de un rango determinado. 1. Principios. Se conoce que una radiación electromagnética tiene una dualidad de onda y de partícula, la onda sigue los fundamentos de la mecánica ondulatoria que ya estudió en el curso de Física general, de cuál solamente traeremos a colación dos conceptos básicamente relacionados con la distancia y el número de oscilaciones en la unidad de tiempo, mientras que de la característica de partícula tendremos en cuenta el concepto de fotón. 1.1 La radiación electromagnética. Comprende una interrelación muy íntima entre un campo eléctrico y un campo magnético que pueden o no variar con el tiempo y están asociadas a una carga. Si ésta se mueve, origina una perturbación que se puede propagar. Esa modificación en el tiempo que se distribuye en el espacio, en el vacío o a través de un medio material, es lo que llamamos radiación electromagnética. Se caracteriza por:

Tiene un campo magnético y uno eléctrico, perpendiculares entre sí y a la dirección de propagación de la onda; la modificación de uno afecta al otro.

Mantienen una relación definida entre los dos campos que permite diferenciarlas básicamente por la longitud de onda (λ) y su frecuencia (υ) ya que todas ellas tienen la misma velocidad de propagación.

En el vacío se desplazan de forma constante y a un valor de 2,9979246*108 m.s- 1. Se relaciona con la longitud y la frecuencia así: c = λ.υ.

Cuando viajan a través de un medio material (gas, líquido, sólido o plasma)es modificada por las partículas del medio variando su dirección o la propagación de la onda.

Son ondas sinusoidales que varían con el tiempo.

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Transporta energía que depende de la magnitud de los campos eléctrico y magnético, es medible en la unidad de tiempo y de área de influencia de la radiación.

Lleva asociada una cantidad definida de energía que Einstein denominó fotones y Compton encontró idéntica a un paquete cuantificado de materia elástico asociada a la frecuencia y a la longitud de onda de la radiación.

Una radiación electromagnética tiene una frecuencia asociada a la de la fuente oscilatoria que la produce; cuando pasa a través de un medio, puede cambiar la dirección o su velocidad y, en algunos casos, en su longitud de onda. 1.2 El espectro electromagnético. Es un artificio de ordenación del conjunto de radiaciones electromagnéticas que efectuamos cuando las ordenamos por su longitud de onda y su frecuencia. Los límites son arbitrarios y dependen del instrumento utilizado. La tabla 32 nos ilustra lo anterior, vale la pena que haga un esfuerzo por establecer la relación entre la longitud de onda y la frecuencia de las mismas para establecer un criterio comparativo sobre la base de cantidad de energía, es decir, cuál es más energética y cual menos. Esto para comprender la interacción entre la radiación y la materia, fundamento analítico de estas técnicas:

Tabla 32. Regiones del espectro electromagnético.

Región Rango de longitud de onda Rango de frecuencia (Hz)

Rayos gamma Menor a 0,01 nm. Rayos X 0,01 – 10 nm. 1,0*1020 – 1,0*1016 Ultravioleta lejano 10 – 200 nm. 1,0*1016 – 1,0*1015 Ultravioleta cercano 200 – 380 nm. 11,0*1015 – 7,5*1014 Visible 380 – 780 nm. 7,5*1014 – 4,0*1014 Infrarrojo cercano 0,75 – 2,5 µm. 4,0*1014 – 1,2*1014 Infrarrojo medio 2,5 – 50 µm. 1,2*1014 – 6,0*1012 Infrarrojo lejano 50 – 100 µm. 6,0*1012 – 1,0*1011 Microondas 0,1 – 10 cm. 1,0*1011 – 1,0*108 Ondas de radio 10 a 300 cm. 1,0*108 – 1,0*105 1.3 Interacción radiación electromagnética – sustancias. Podemos encontrar tres comportamientos específicos, uno donde cambia la velocidad de propagación de la radiación electromagnética, teniendo fenómenos como la Refractometría, la reflectancia y la polarimetría; aquí no hay ninguna interacción de tipo químico sino físico. Métodos que se clasifican como no espectroscópicos los cuales no vamos a estudiar aquí. Otros comprenden la interacción de la radiación electromagnética con ciertos niveles electrónicos o moleculares implicando la absorción de energía o su emisión. Estos dos comportamientos se recogen en técnicas analíticas denominadas espectroscópicas, que podemos diferenciar en espectroscopias de absorción que pueden ser rayos X,

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ultravioleta, visible e infrarroja; aquí la sustancia toma energía de la radiación electromagnética. Las espectroscopia de emisión, de rayos X, fluorescencia o fosforescencia efectúan un proceso diferente ya que al recibir la radiación electromagnética, generan nuevas radiaciones pero en regiones diferentes, por ello habrán visible o ultravioleta. Circunstancias que determinan equipos y procedimientos diferentes. Ahora, establezcamos cuáles son las interacciones que se presentan: el amplio intervalo de energía que exhiben las ondas electromagnéticas, coinciden con la energía estructural de los átomos y las moléculas, lo cual origina una interacción directa entre la energía radiante y la materia. Dicha interacción puede relacionarse como lo muestra la tabla 33: Tabla 33. Interacciones atómicas y moleculares con las diferentes regiones del espectro

electromagnético.

Región Interacción Rayos X Capa interna, transiciones

electrónicas Ultravioleta Capa de valencia, transiciones

electrónicas Visible e infrarroja Vibraciones moleculares Infrarrojo lejano Rotaciones moleculares Microondas Orientaciones de espín Ondas de radio

Los fenómenos más importantes de interacción útiles para la química analítica son los de absorción e de emisión de energía radiante por la materia. 1.3.1 Procesos de absorción y de emisión de energía electromagnética. Utilicemos como modelo a una molécula cualquiera compuesta por átomos unidos por enlaces químicos estableciendo zonas alrededor de los núcleos donde se encuentran orbitando los electrones con una determinada cantidad de energía que los hace totalmente estables. Analicemos cuáles son los tipos o clases de energía que posee: se encuentra en movimiento, es decir, posee energía cinética asociada a fenómenos como el de traslación, que le permite desplazarse en el espacio dentro de tres grados de libertad (un grado de libertad es una coordenada espacial que permite describir su posición), rotar alrededor de un centro de gravedad, establecer posiciones de longitud y de ángulo en relación con otros átomos correspondiendo a una energía de vibración y otra asociada a la posición y movimiento de los electrones básicamente de enlace, por lo que se denomina energía electrónica. En esta condición no ganan ni pierden energía y se dice que se encuentran en su estado fundamental. Podemos describir esa situación así:

ETOTAL = ETRASLACIÓN + EROTACIÓN + EVIBRACIÓN + EELECTRÓNICA En espectroscopia nos interesan las tres últimas ya que se encuentran cuantizadas, es decir, están definidas por un contenido específico de energía que puede ser modificada en regiones específicas del espectro electromagnético permitiendo la deducción de propiedades y la posibilidad de cuantificarla.

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La absorción o emisión de radiación electromagnética por parte de las sustancias se origina en su propia estructura y la disposición de los átomos en el espacio y la distribución de los electrones en ella, es decir, la estructura define la especificidad de una sustancia para absorber o emitir radiación electromagnética. Si irradiamos esa molécula con energía electromagnética, algunos de sus electrones absorberán una determinada cantidad de energía pasando a niveles energéticos más altos, dicha condición se denomina estado excitado. Es inestable, por lo que luego se cierto tiempo regresará nuevamente al estado fundamental liberando una cantidad de energía equivalente a la absorbida cuando alcanzó su estado excitado, luego podremos establecer esta especie de equilibrio:

Estado fundamental + energía Estado excitado Lo específico de este proceso es que depende de la composición de la molécula, de los átomos que la componen, por lo que se encontrará una región de absorción y de emisión de energía que le es propia, pero lo más importante es que la cantidad de energía absorbida o emitida es proporcional a la cantidad de sustancia que está en interacción con la energía radiante. 1.3.2 Fenómenos asociados a la emisión y absorción de energía electromagnética. La tabla 33 indica los fenómenos que ocurren a nivel atómico cuando una determinada molécula es irradiada en una determinada región del espectro electromagnético y que hemos comprendido, depende del equipo de análisis para definir en cuál de ella nos encontramos. Vamos a estudiar los fundamentos de las espectroscopias visible, ultravioleta, infrarrojo y la de absorción atómica que son las más comunes. 1.3.2.1 Espectroscopia visible. Se presenta en la región visible del espectro electromagnético y tiene que ver con la posibilidad de emitir o de presentar un color cuando la sustancia se encuentra en solución o de formarlo mediante una reacción química. Una solución coloreada absorberá fotones de una longitud de onda correspondiente a su color complementario. ¿Qué significa esto? Sabemos que la radiación electromagnética de la región visible se encuentra formada por siete colores (disco de Newton) cuya combinación forma la coloración blanca que vemos normalmente como ahora. Si la luz blanca pasa a través de un prisma o cuando la luz solar atraviesa una llovizna encontramos que se forma el arco iris que de manera continua van definiendo regiones de color como lo podemos ver en la tabla 34. El color que emite una solución, se debe a fenómenos de absorción, ella “retira” del espectro una de las radiaciones del espectro, devolviendo las demás cuya combinación define un color aparente. Si observamos cuidadosamente la tabla 34 podemos comprender el fenómeno; supongamos que tenemos una solución de color verde – amarillo, si la pasamos por un espectrofotómetro visible, encontramos que absorbe la radiación entre 400 y 465 nm, correspondiente al color violeta. Por ello se habla de un color aparente pues la absorción de energía la efectúa en otra región del espectro.

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La absorción de energía en la región del espectro visible está asociada a las transiciones de las capas electrónicas, es decir, corresponde a energía electrónica. Por esta razón los iones inorgánicos coloreados presentan capas electrónicas incompletas y con niveles de energía muy cercanos, las sustancias orgánicas presentan déficit de electrones en ciertos niveles de energía. Al absorber un fotón de energía correspondiente a la diferencia entre dos niveles permitidos, el electrón pasa a otro nivel energético.

Tabla 34. Colores correspondiente al intervalo visible del espectro electromagnético.

Rango aproximado de longitud de onda

(nm) Color de la radiación

Color aparente complementario de la

solución 400 – 465 Violeta Verde – amarillo 465 – 482 Azul Amarillo 482 – 487 Azul verdoso Naranja 487 – 493 Azul – verde Rojo – naranja 493 – 498 Verde azuloso Rojo 498 – 530 Verde Rojo – púrpura 530 – 559 Verde amarillento Púrpura rojizo 559 – 571 Amarillo verde Púrpura 571 – 576 Amarillo verdoso Violeta 576 – 580 Amarillo Azul 580 – 587 Naranja amarillento Azul 587 – 597 Naranja Azul verdoso 597 – 617 Naranja rojizo Azul – verde 617 – 780 Rojo Azul – verde

Ante la complejidad del espectro, es necesario definir algunas características especiales a la radiación utilizada en el análisis. En primer lugar es necesario que sea monocromática, es decir que sólo corresponda al rango de absorción requerido por la sustancia; si hay mezcla de otra región generará ruidos en el sistema de detección. Segundo, la radiación incidente en la sustancia debe corresponder a la región del análisis, es decir, a la longitud de onda de absorción. Tercera, debe tener un rango que permita mantener constante las condiciones del análisis, es decir, debe aportar la cantidad de energía requerida para el análisis. 1.3.2.2 Espectroscopia ultravioleta. Corresponde a la región superior del espectro electromagnético que hemos denominado región visible. Se caracteriza porque la interacción se efectúa principalmente por transiciones de los electrones en las capas externas de las sustancias absorbentes. Los fotones de esta región tienen mayor contenido de energía que los del rango visible, eso significa que las transiciones electrónicas son mucho más drásticas. Las sustancias que absorben en este intervalo se caracterizan por ser incoloras o débilmente amarillas. Dentro de las sustancias inorgánicas su aplicación es reducida ya que aplica al análisis de complejos haluros y cianuros de metales, tierras raras y elementos de transición. Se recurre a la síntesis química mediante la formación de iones complejos con ligandos orgánicos.

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Con sustancias orgánicas tiene muchísima más aplicación, pero los hidrocarburos saturados y los alcoholes y éteres no absorben en esta región por lo que se suelen utilizar como solventes. Un cromóforo es un grupo atómico que presenta absorción en la región visible o ultravioleta, cuando está aislado se le llama cromóforo simple y si esta asociado a otro mediante dobles enlaces, se le llama sistema conjugado. Estos sistemas absorben fotones en la región ultravioleta y entre más grande sea mejor será su absorción desplazándose a la zona visible, es decir, es coloreado. Por lo general, cada grupo cromóforo tiene un rango de absorción característico que se suele utilizar con fines cualitativos, su identificación, y cuantitativos, cuánta sustancia existe. En la tabla 35 encontramos algunos de estos grupos. Cuando un átomo de hidrógeno unido a un carbono de un grupo cromóforo se remplaza por otro átomo o un grupo atómico, el valor de máxima absorbancia del grupo cromóforo se desplaza, generalmente, a longitudes de ondas mayores, cambiando los calores de absorbancia de la solución. Estos grupos se llaman auxocromos. Tabla 35. Longitudes de onda de máxima absorbancia correspondiente a ciertos grupos

funcionales76.

Grupo absorbente Estructura Longitud de absorción máxima (nm)

Olefina | | C = C

| | 190

Olefina conjugada – C = C – C = C – C = C – C = C – 210 – 230 Acetileno – C ≡ C – 175 – 180 Benceno

184, 202, 255

Naftaleno

220, 275, 312

Éter – O – 185 Tioéter – S – 194, 215 Amina – NH2 195 Nitro – NO2 210 Azo – N = N – 285 – 400 Cetona > C = O 195, 270 – 285 Tiocetona > S = O 205 Aldehído – CHO 210 Carboxilo – COOH 200 – 210 Bromuro – Br 208 Yoduro – I 260

76 FISHER, R.B. PETERS, D. Compendio de análisis químico cuantitativo. México: Interamericana, 1971., p. 433.

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Es necesario tener en cuenta el efecto del solvente; sus valores para la longitud de onda no son absolutos. Se debe notar que varios grupos exhiben valores máximos de absorción y su posición puede variar ligeramente según la estructura del resto de la molécula. Por ejemplo, la banda de 255 nm para el benceno se desplaza a 262 nm para el tolueno y a 265 nm para el clorobenceno. 1.3.2.3 Espectroscopia infrarroja. Corresponde a la región del espectro electromagnético entre 750 y 1*106 nm, cuya interacción con la materia genera vibraciones y rotaciones moleculares como los movimientos de estiramiento donde la distancia entre átomos aumenta o disminuye, los movimientos de deformación donde hay desplazamientos de átomos respecto al eje de unión que tienen entre si, y movimientos de deformación relacionados con el plano donde se encuentran los átomos y que implica salida o entrada respecto a ese plano. Estas técnicas realmente tienen poca aplicación en el análisis cuantitativo en alimentos pero si es fundamental en la determinación de estructuras de las sustancias orgánicas ya que permite determinar con cierto grado de precisión la configuración espacial, la presencia de grupos funcionales y variaciones particulares en la cadena carbonada. 1.3.2.4 Espectroscopia de Absorción Atómica. Es una variación de las anteriores técnicas que utiliza un fenómeno de resonancia atómica que permite a los átomos de los metales en estado de vapor efectuar absorciones a longitudes de onda característicos, facilitando la determinación cuantitativa ya que la cantidad de fotones absorbidos es directamente proporcional a la cantidad de átomos de la especie analítica absorbente. El fenómeno de resonancia se presenta porque la fuente de radiación electromagnética es producida por la excitación de los átomos del elemento metálico, energía que entra en contacto con los átomos del mismo metal pero provenientes de una muestra que ha sido previamente vaporizada, al encontrarse en esta situación, los átomos vaporizados encuentran fotones con la cantidad de energía necesaria para pasar a niveles energéticos excitados. El equipo puede determinar esa diferencia facilitando la cuantificación de la misma. 1.4 Ley de absorción o de Bourguer – Lambert – Beer. Corresponde al fundamento de la espectroscopia de absorción, respecto a su uso como técnica analítica. Partiendo de la tesis de que los fotones de energía y la longitud de onda absorbidos preferencialmente son característicos de los átomos, iones, o moléculas que los absorben, se han desarrollado métodos analíticos cualitativos y cuantitativos. En la misma forma, mediante investigación se ha determinado que el número de fotones absorbidos es directamente proporcional al número de átomos o moléculas absorbentes presentes en la muestra, lo que ha permitido la aplicación analítica de esos principios; por esto, es necesario estudiar las leyes en que se basan estos métodos.

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Aclaremos primero algunos términos: cada fotón tendrá su propia energía característica según la radiación electromagnética a la que pertenezca. Cada radiación estará definida por algunos parámetros. Generalmente se usa la longitud de onda. Llamaremos intensidad de radiación (I), al número de fotones por unidad de tiempo y por unidad de volumen, no a la cantidad de energía por fotón. El camino que recorre la radiación dentro de la muestra lo llamaremos b y la concentración de la especie absorbente, atómica o molecular, en unidades de peso/volumen, la denominaremos c. Examinemos la figura 15:

Figura 15. Diagrama fundamental de los métodos analíticos de absorción de energía electromagnética.

Si sobre la muestra contenida en un recipiente transparente hacemos incidir una radiación de intensidad IO, al otro lado del recipiente obtendremos una radiación de menos intensidad I, puesto que experimentalmente es difícil medir la intensidad de la radiación sola, se efectúa normalmente la comparación cuantitativa de las dos intensidades IO/I, lo cual es más útil en nuestro caso. 1.4.1 Ley de Lambert. Lambert investigó qué pasaba en la relación de intensidades cuando se variaba el camino recorrido por el rayo dentro de la muestra, manteniendo la concentración de la misma de manera constante, estableciendo que la intensidad de la radiación transmitida disminuía a medida que aumenta el recorrido de la muestra. Matemáticamente expresó esa relación así: Siendo: K = constante de proporcionalidad. b = camino recorrido.

bI

RADIACIÓN TRANSMITIDA

IO RADIACIÓN INCIDENTE

SOLUCIÓN A ANALIZAR DE

CONCENTRACIÓN C

IO Log = K b I

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1.4.2 Ley de Beer. Beer halló que al variar la concentración de la especie absorbente, manteniendo constante el camino recorrido por la radiación, se lograba establecer una proporción directa entre la razón de las intensidades y esa concentración. Por lo tanto, formuló matemáticamente la siguiente expresión: Donde: K = constante de proporcionalidad. c = concentración. El valor de K está determinado por la naturaleza de la sustancia absorbente y por la longitud de onda de la radiación empleada. Esta ley sólo puede aplicarse para soluciones muy diluidas de especies suficientemente estables y usando radiación monocromática. Para aquellas soluciones que al diluirlas o concentrarlas, la sustancia absorbente experimenta cambios en su grado de ionización, de hidratación o de formación de complejos, no cumplen con esta ley. Bourguer trabajó también con estas relaciones, pero logró establecerlas a nivel del peso molecular, derivando que las constantes K de las dos expresiones anteriores tenían que ver con la concentración molar de las especies absorbentes por lo que las denominó absortividad molar, ε, cuyas unidades son cm- 1L mol- 1. 1.4.3 Ley de Bourguer – Lambert – Beer. En la práctica se han combinado las tres expresiones anteriores formando una sola expresión matemática, utilizada como base en todas las determinaciones cuantitativas. La fórmula es: En la expresión de esta ley, se pueden encontrar en los textos dos formas diferentes de expresión teniendo en cuenta si se relaciona como absorción o como transmitancia ya que los espectrofotómetros posibilitan obtener la medida de la razón entre intensidad de luz o potencia radiante en esas dos formas. La relación I/IO se llama transmitancia, T, la cual también se puede expresar como porcentaje de transmitancia, % T. La relación log (IO/I) se denomina absorbancia o también absorción, A. Expresiones que podemos relacionar entre sí mediante la ecuación:

A = log (100 - % T) = 2 – log %T.

IO Log = K c I

IO Log = ε b c I

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Relación que debemos utilizar cuando requiramos la construcción de las curvas de calibración para hacer mucho más precisas las determinaciones cuantitativas. Como para pode dejar un criterio claro sobre las relaciones entre intensidad, potencia radiante, transmitancia y absortividad, la tabla 36 nos ayuda a comprender mejor lo analizado: Tabla 36. Símbolos y términos, más importantes utilizados en las medidas de absorción77.

Término y símbolo Definición Otros nombres y símbolos

Potencia radiante. P y PO

Energía de la radiación incidente en el detector por cm2 de superficie y por segundo.

Intensidad de la radiación, I e IO.

Absorción, A. Log (PO/P) Densidad óptica, D; extinción, E.

Transmitancia, T. P/PO Transmisión, T. Trayectoria, b, de la radiación, (cm) Distancia de la celda. l, d.

Absortividad, a. A/bc Coeficiente de extinción, K

Absortividad molar, ε. A/bc Coeficiente de extinción molar.

La transmitancia de una solución es la fracción de radiación incidente que transmite la solución. La diferencia entre transmitancia y absorbancia es que la absorbancia de una solución aumenta en la medida en que aumenta la atenuación del haz. La absorbancia es directamente proporcional a la trayectoria de la radiación a través de la solución y a la concentración de la especie que realiza la absorción; la constante de proporcionalidad corresponde, entonces a la absortividad y será molar cuando en la relación considera concentraciones molares de la especie que está analizándose. Por ello, podremos expresar la Ley de Bourguer – Lambert – Beer así:

I/IO = 10εbc; – log T = ε b c; A = ε b c Teniendo c, concentración del soluto absorbente (mol/L), ε, coeficiente de absortividad molar (cm- 1L mol- 1), b, la distancia de recorrido de la radiación electromagnética dentro de la celda (cm). Se sabe que ε es función de la longitud de onda, el índice de refracción característico del sistema soluto – solvente; es una propiedad intensiva que no depende de la concentración del soluto y representa la absorción de energía radiante por mol de soluto a esa longitud de onda dada. Cuando no se conoce el peso molecular del soluto, se puede expresar como A = a b c donde a representa al coeficiente de absortividad y sus unidades dependen de la concentración c. 77 SKOOG, Douglas A. WEST, Donald M. Análisis instrumental. 2 edición. México: Interamericana, 1985., p 159.

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El registro de la variación del coeficiente de absortividad molar, Absorbancia o Transmitancia en función de la longitud de onda origina al espectro o curva espectral de la sustancia absorbente e indica las características de absorción de esa sustancia con respecto a la longitud de onda. La Absorbancia en función de la longitud de onda permite disponer del espectro de absorción, mientras que la transmitancia en función de la longitud de onda corresponde al espectro de transmisión. Si se registra la emisión de la radiación electromagnética en función de la longitud de onda se tendrá el espectro de emisión o de fluorescencia. 1.4.4 Desviaciones de la ley de Beer. Dentro de los textos se suele resumir la anterior ley a uno solo de sus descubridores; ahora vamos a estudiar los dos tipos de desviaciones que se presenta en la práctica al aplicar esa expresión matemática, y que tiene sus orígenes en aspectos de orden físico y otros de naturaleza química. 1.4.4.1 Desviaciones de origen químico. Encontramos dos:

Efecto del equilibrio químico. Las principales causas de origen químico se deben a reacciones de asociación o disociación que cambian la concentración real de las especies o modifican el pH. Por ejemplo, una solución de bicromato se convierte progresivamente en cromato por dilución con agua si no hay un estricto control del pH. Si se aumenta se tiende a favorecer la formación de ion cromato y si se disminuye, se facilita la formación del bicromato; cada uno de ellos tiene su máxima absorción para radiaciones electromagnéticas de diferentes longitudes de onda y sólo existe una de ellas en la cual presentan absorción los dos iones, si bien esa absorción no corresponde a la máxima.

Efectos del solvente. En general, se ha determinado que la misma sustancia disuelta en diferentes solventes, presentan diferentes picos de máxima absorción y esta circunstancia se aprovecha analíticamente para identificar compuestos, midiendo los cambios de absortividad de sus soluciones en diferentes solventes.

En ocasiones se presentan desviaciones porque el solvente absorbe en el mismo intervalo de longitud de onda que lo hace la muestra. Este problema es particularmente grave en los rangos infrarrojo y ultravioleta. 1.4.4.2 Desviaciones de origen físico. Podemos encontrar tres:

Efecto del intervalo de radiación incidente. La ley de Beer sólo funciona cuando se emplea radiación monocromática. Sin embargo, como le estudiaremos más adelante al revisar los fundamentos de los equipos instrumentales, la radiación monocromática estricta no es posible en la práctica. Es de esperarse que un instrumento que no emplee una radiación lo suficientemente monocromática, cumpla con la ley de Beer en menor extensión que otro con mayor resolución, es decir, que logre una radiación mucho más monocromática o una banda muye estrecha de radiación.

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Efecto de las celdas. Las celdas pueden tener pequeñas diferencias en su anchura o camino óptico, así provengan de la misma fábrica. Lo ideal sería que todas las lecturas se hicieran con la misma celda, haciendo el trabajo muy tedioso. Así, pues, este parámetro se convierte en un error sistemático que en los trabajos rutinarios se suele omitir al considerarlo despreciable, pero se busca controlar que las celdas en lo posible tengan el mismo tamaño y calidad de vidrio.

Efecto de la concentración. Es evidente que la ley de Beer sólo se cumple para soluciones diluidas, pero el intervalo de concentraciones útiles varía muchísimo de método a método y naturalmente cambia con las condiciones instrumentales.

Siempre es conveniente conocer ese intervalo, por lo cual se acostumbra a construir la gráfica de absorbancia en función de la concentración utilizando soluciones patrones o de concentración conocida. Dicha gráfica debe ser una línea recta en ese intervalo de concentración, rango en el cual el cumplimiento de la ley de Beer es estricto, fuera de ellos se consideran que hay desviaciones y no son útiles para los fines analíticos esperados. 2. Equipo instrumental. Podemos generalizar que los componentes instrumentales requeridos en estas técnicas tienen las siguientes partes:

Fuente de radiación electromagnética. Puede ser continua cuando emite radiaciones en una determinada región del espectro o de líneas, cuando lo hace en ciertos sectores.

Sistema monocromador. Permite seleccionar radiaciones de una determinada longitud de onda, útil para efectuar el ensayo analítico.

Portamuestra y celdas. Depende del tipo de radiación electromagnético utilizado. Transductor – detector. Sistema que permite transformar la radiación

electromagnética proveniente de la fuente y de la muestra en señal eléctrica. Sistema de amplificación, transformación y comparación de la señal eléctrica.

Permite obtener los resultados cuantificados de la diferencia de energía proveniente de las dos señales: fuente de energía y muestra.

Sistema de registro. Corresponde al medio externo que permite efectuar la medida ya sea en una escala graduada, un visor digital o un registrador de papel, especialmente diseñado para poder obtener el espectro de absorción.

Establezcamos, entonces, las características de cada uno de los anteriores componentes diferenciándolos en visible, ultravioleta, infrarrojo y absorción atómica. 2.1 Fuentes de radiación electromagnética. Las fuentes más conocidas son las de luz visible, generalmente provienen del calentamiento de los cuerpos los cuales producen radiaciones térmicas. A 330 ºC produce radiaciones infrarrojas (se siente como calor) pero a medida que aumenta la temperatura el cuerpo irradia luz (a 3000 ºC un cuerpo es blanco), esto significa que para los rangos de radiación infrarroja y visible se utiliza este principio. Las lámparas utilizadas en el rango infrarrojo, visible y ultravioleta producen una radiación continua cuya potencia no varía bruscamente entre longitudes de onda adyacentes. Las más comunes son la lámpara de hidrógeno o deuterio, produce un espectro continuo en la

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región ultravioleta al excitar hidrógeno o deuterio a baja presión mediante descarga eléctrica. Unas emplean potenciales entre 2000 a 6000 voltios entre electrodos de aluminio requiriendo refrigeración con agua, otras lo hacen a 40 voltios mediante un arco formado por un filamento revestido de óxido y un electrodo metálico. El filamento en caliente libera electrones para mantener corriente continua; necesita de una fuente de energía eléctrica regulada. El rango de radiación producido va entre 160 y 375 nm y disponen de una ventana de cuarzo ya que el vidrio la absorbe. Las lámparas de filamento de tungsteno son las fuentes de radiación utilizadas para el rango visible e infrarrojo cercano, la emisión de radiación depende de la temperatura y en la mayoría de instrumentos opera a 2870 K emitiendo radiaciones entre 320 y 2500 nm, facilitando el trabajo en la región infrarroja. Requiere voltajes pequeños y corrientes muy reguladas para una emisión continua de radiación. Para la región del infrarrojo se suele emplear lámparas como el emisor incandescente de Nernst, compuesto por óxidos de tierras raras compactados en un cilindro de 1 a 2 mm y de 20 mm de longitud, a los extremos tiene unos alambres de platino que le permiten el paso de corriente calentándolo hasta rojo oscuro donde emite radiación constante. Una vez usado se desecha ya que destruye. Otra es la fuente Globar, una barra de carburo de silicio de 5 cm de longitud y 0,5 cm de diámetro que se calienta eléctricamente, es necesario refrigerarla para evitar la formación de un arco. Finalmente, se tiene la fuente de filamento incandescente, un alambre de nicromo en espiral que se calienta al paso de una corriente eléctrica, tiene mayor vida útil que las dos fuentes anteriores. En la espectroscopia de absorción atómica, la fuente emite líneas de radiación que se escoge según el análisis de metales a efectuar. Corresponde a la fuente de cátodo hueco, consiste en un ánodo de tungsteno y un cátodo cilíndrico construido con el metal o una aleación metálica de los elementos que se desean determinar, sellado dentro de un tubo de gas lleno de neón o argón a una presión de 1 a 5 torricellis. La ionización del gas se produce al aplicar un potencial que genera una corriente de 5 a 10 mA obligando a la migración de los iones hacia los electrodos. Los cationes metálicos gaseosos comienzan a adquirir suficiente energía cinética desalojando átomos de la superficie del cátodo produciendo una nube atómica; algunos de ellos se excitan y comienzan a emitir radiación regresando a su estado basal depositándose en el cátodo o en la superficie interna del vidrio. El tubo se ha diseñado para que concentre la radiación en una región limitada del tubo y que la deposición ocurra sobre el cátodo y su eficacia depende de su diseño y del potencial de trabajo aplicado que generalmente recomienda el fabricante. 2.2 Sistema monocromador. Corresponde a uno de los elementos del instrumento que define su calidad en términos de precisión y exactitud ya que es el responsable de obtener la banda de radiación electromagnética adecuada para el análisis, debido a que debe seleccionarla y emitirla como radiación monocromática estable, comprende los siguientes elementos:

Rendija de entrada. Apertura de un determinado ancho que permite el ingreso de una cantidad de radiación proveniente de la fuente.

Lente o espejo colimador. Dispositivo óptico que permite recoger la radiación que ha pasado por la rendija de ingreso y colocarla en paralelo o enfocarla como un haz de radiación electromagnética.

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Prisma o red de difracción. Elemento vital del colimador, permitiendo la obtención de la radiación monocromática requerida en el análisis al separar del haz de radiación proveniente de la fuente, la banda de radiación útil en el análisis. La red de difracción es una superficie metálica pulida rayada en surcos con una distancia igual a la de la longitud de onda de la radiación que se desea “purificar”. Igual al prisma que permite obtener el arco iris cuando se le hace incidir luz.

Lente colimador de salida. Otro dispositivo óptico que permite concentrar la radiación electromagnética seleccionada en el anterior elemento dejándola disponible para el análisis.

Rendija de salida. Perforación de un determinado ancho que deja salir del colimador la radiación seleccionada hacia el porta muestras, por lo general ese ancho se puede regular.

La pureza de la radiación emergente del colimador depende de la capacidad de dispersión de la rejilla o prisma y el tamaño de la rendija de salida, se busca obtener el 75 % de la radiación electromagnética que ha logrado purificar el elemento de dispersión; por ello en los equipos se suele determinar el poder de resolución, como la capacidad de definir bandas de radiación cercanas, el diseño óptico del monocromador, el ancho de la rendija de salida y si tiene sistemas automáticos, de la velocidad de barrido y la sensibilidad del sistema de registro. 2.3 Porta muestras y celdas. Corresponde a la parte del instrumento que permite efectuar el análisis. Generalmente se utiliza la muestra en solución, colocada en un recipiente o celda de material transparente a la radiación. Las celdas para los métodos de la región visible pueden ser de vidrio, los de ultravioleta son de cuarzo fundido y la del infrarrojo con del cloruro de sodio, bromuro de potasio o yoduro de cesio. Estos materiales requieren un estricto control de la humedad en la muestra y su disolución en solventes orgánicos que no absorban en esa región electromagnética. Se tienen dos técnicas que resuelven el problema: la elaboración de una pastilla de bromuro de potasio con la muestra y la suspensión de la muestra en nujol y su disposición entre dos placas de cloruro de sodio, bromuro de potasio o yoduro de cesio. El tamaño de la celda es un parámetro a considerar en la ley de Beer, por ello se construyen con un diámetro de un centímetro, utilizándose para el análisis en las regiones visible y ultravioleta y en el infrarrojo son del orden de milímetro o inferiores o de mayor tamaño cuando se analizan gases. En la técnica de absorción atómica la celda corresponde a una llama, siendo el paso más crítico de la técnica ya que la muestra problema primero se nebuliza, ocurre un mezclado de combustible – comburente, sigue la evaporación del solvente y finalmente la formación de átomos y su excitación. La temperatura de la llama es el factor importante del proceso ya que entre mayor sea se facilita la atomización, ionización, la relación átomos excitados – átomos no excitados, disminuye la altura de los picos al anchar la banda, siendo favorables en la determinación. Por ello se utilizan varias mezclas como las presenta la tabla 37:

Tabla 37. Tipos de llamas útiles en absorción atómica.

Mezclas Temperatura (ºC)

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Gas – aire 1700 – 1900 Acetileno – aire 2100 – 2400

Acetileno – oxígeno 3050 – 3150 Hidrógeno – aire 2000 – 2100

2.4 Detector – transductor. Es el dispositivo que permite ver, detectar u observar la radiación que emerge de la muestra y la transforma en una corriente eléctrica que se envía al sistema de amplificación y de registro, son específicos para cada tipo de radiación electromagnética utilizada en el análisis, por ello se pueden encontrar cuatro dispositivos:

Foto tubo. Se utiliza en las regiones ultravioleta, visible e infrarrojo cercano. Es un tubo al vacío que contiene un cátodo sensible a la radiación y que emite electrones cuando la detecta, y un ánodo que recoge los electrones generando la corriente requerida en cantidad proporcional a la radiación incidente.

Foto multiplicador. El principio es semejante al anterior solo que entre el cátodo y el ánodo existe un conjunto de dínodos, sometidos a un campo electrostático que enfoca los electrones y los acelera entre estos aditamentos. Funcionan así: el cátodo recibe la radiación y emite los electrones que son enfocados al primer dínodo, un electrodo curvo recubierto con una sustancia sensible a los electrones y que genera más electrones que son luego enfocados a otro dínodo aumentando su cantidad, es decir, son amplificados hasta llegar al ánodo donde son conducidos al sistema de registro.

Fotodiodos. Utilizan el mismo principio del transistor ya que tienen una unión p – n polarizada que impide la generación de corriente eléctrica. Al incidir la radiación electromagnética cambian la polarización produciendo una cantidad de corriente proporcional a la potencia radiante incidente.

Termocuplas y cristales piro eléctricos. Son los detectores para el infrarrojo y que tienen como principio recibir energía térmica, normalmente la que compone a esta radiación transformándola en corriente eléctrica que se envía al sistema de amplificación y de registro.

2.5 Sistema de amplificación, transformación y comparación. Es un aditamento de tipo electrónico que efectúa la comparación de corriente eléctrica generada por la radiación sin muestra (con el blanco de reactivos) y la que produce la radiación emergente de la muestra. Permite efectuar también una “purificación” de la señal eliminando el ruido, esto porque al detector llega la señal del analito, la de otras matrices presentes en la muestra y la que genera el propio instrumento, por ello es necesario poder eliminarlas, al menos el método permite enseñarle al detector las señales de la matriz de la muestra mediante el empleo del blanco de reactivos que en principio las anularía, dejando la del instrumento junto con las del analito, aquí se ha establecido que el equipo debe generar la mitad o un tercio de la señal correspondiente a la del analito. 2.6 Sistema de registro. Corresponde al conjunto de medios de expresión de las mediciones que tiene el aparato y que son leídas por el analista. Estas pueden ser un sistema analógico o una escala lineal

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que registra el porcentaje de transmitancia o una escala logarítmica que registra la absorbancia de la muestra, un dispositivo digital de lectura que puede dar esas dos mediciones en números (nos evita el error de paralaje de la anterior escala) o un registrador gráfico que puede trazar el espectro cuando hacemos el barrido de la región de análisis y registramos la variación de absorbancia o porcentaje de transmitancia en función de la longitud de onda. Este registrador gráfico puede ser una pantalla de computador o un plotter. 3. Procedimiento. Vamos a establecer cómo realizamos un análisis químico utilizando estas técnicas de manera genérica ya que las variaciones que se tienen que hacer son muy pocas, por lo que podemos definir como tres procesos diferenciados: absorción visible y ultravioleta, absorción infrarroja (preparación de las muestras) y absorción atómica (manejo de la fuente y de la celda), que mencionaremos en las partes del procedimiento correspondiente. No obsta la posibilidad de efectuar la práctica pero el curso al menos da la posibilidad de trabajar experiencias en el rango visible y que se sugiere se efectúen para lograr los propósitos del mismo. 3.1 Condiciones del método. El empleo de estas técnicas analíticas es posible debido a que cumplen con las siguientes características a tener en cuenta:

Disponer de un agente cromóforo que permita la absorción en la región electromagnética de análisis o tener la posibilidad de desarrollarlo mediante la adición cuantitativa de uno que facilite la absorción.

Su sensibilidad está en el rango de 10-4 a 10-5 M, lo que facilita el trabajo con pequeñas concentraciones del analito.

Selectividad entre moderada y alta, definiendo técnicas relativamente sencillas para la determinación de sustancias de interés.

Buena exactitud. Si se logra un buen control de los errores provenient4es del método, de la muestra y del instrumento, es factible controlarlos al 5 %.

Métodos cómodos, fáciles de trabajar y con muchísimas posibilidades de ser automatizados para efectuar controles en procesos.

Posibilidad de seleccionar las longitudes de onda de trabajo donde sea mucho más sensible la variación de la absorbancia con la concentración del analito, controlar los interferentes físicos y químicos que puedan generar error.

La especie absorbente debe representar la totalidad de la especie en solución. La solución debe ser completamente transparente a la vista del analista, si

presentar partículas en suspensión. Cualquier partícula presente puede causar difusión o dispersión de la luz incidente produciendo errores en la lectura.

El equipo debe producir la radiación electromagnética más monocromática posible para que el detector pueda establecer sin dificultades la diferencia de absorción recurrida en la medición.

La longitud de onda de análisis debe tener un ancho de banda apropiado de modo que pequeñas variaciones de la misma no afecte el valor de la absorbancia de la muestra.

3.2 Material de laboratorio.

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Debido a la sensibilidad de estos métodos y a la posibilidad de detectar pequeñas cantidades de analito en una muestra, a veces sin modificarla tanto, es importante que todo el material volumétrico que se utilice se encuentre debidamente calibrado, usando suficiente balones y pipetas aforadas preferencialmente de la misma marca, igual capacidad para disminuir en lo posible el error sistemático y de baja capacidad para controlar los errores por dilución. 3.3 Preparación de las muestras. Para el caso de una muestra suficiente, pero con contenidos pequeños de la sustancia problema, se prefiere tomar una cantidad adecuada de muestra y efectuar la medida directamente si es posible. Cuando se trata de sólidos o muestras con sustancias interferentes, se pesa o se mide un volumen suficiente, se disuelve y se hace el tratamiento requerido para eliminar las interferencias. Luego se lleva la solución resultante al menor volumen conocido posible. A veces se logra, mediante este procedimiento, concentrar especies que inicialmente estaban muy diluidas en la muestra. En la realización de la preparación de la muestra, es necesario conocer muy claramente el procedimiento posterior de medida, pues un error redundará en la obtención de medidas falsas. La solución resultante debe cumplir con las condiciones específicas del método al cual se va a someter posteriormente. Por ejemplo, si se va a medir mediante espectrofotometría visible, se deben saber las condiciones estequiométricas de la reacción que produce el color y las reacciones colaterales que se puedan presentar, con el fin de evitarlas, puesto que afectaría la exactitud y precisión del método. 3.4 Características de la reacción. Es necesario que el equipo instrumental sea el adecuado para el método y sus condiciones de operación sean tales que se logre una radiación lo suficientemente caracterizada y confiable, apropiada a la sensibilidad y selectividad del método. Por lo general, éstos indican la marca y el modelo del aparato utilizado para obtener los resultados esperados. En nuestro laboratorio emplearemos el Spectronic 20 un equipo muy versátil y de amplio uso en el trabajo analítico de rutina. 3.5 Espectro de absorción y selección de la radiación apropiada. La construcción del espectro de absorción de una sustancia, requiere preparar una solución patrón que contenga el analito en una concentración conocida y un blanco de reactivos. Se mide la absorbancia de dicha solución en el intervalo de longitudes de onda del instrumento, tomando lecturas en un rango determinado, digamos 25 nm, hasta llegar a la zona de máximo de absorción; en esta región se efectúan lecturas más cercanas, por ejemplo cada 5 ó 10 nm. El blanco de reactivos se utiliza para ajustar el 100 % de transmitancia antes de medir el problema. Luego se grafican las absorbancias leídas en función de la longitud de onda a las cuales se midieron, obteniéndose el espectro de absorción. La gráfica nos permite seleccionar el intervalo de longitudes de onda o el valor de la longitud de onda más adecuado para efectuar el análisis cuantitativo. 3.6 Curva de calibración.

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Se selecciona la longitud de onda considerada la apropiada para el análisis, se procede a preparar la curva de calibración midiendo la absorbancia de un conjunto de soluciones patrones previamente preparadas. La curva de calibración es la gráfica resultante de dibujar los datos de absorbancia medidos para cada solución patrón, en función de la concentración correspondiente a dicho patrón expresada en unidades físicas (partes por millón, gramos por litro, miligramos por cien mililitros, etc.) o en unidades químicas según el caso. La región útil de la curva de calibración está comprendida por los valores que cumplen con la ley de Beer, es decir, la región que se ajusta a una línea recta y que pase por el origen. Cuando hay datos que se acercan a la línea recta más no están dentro de ella, se ajustan mediante la técnica de los mínimos cuadrados o por técnicas de correlación estadística. 3.7 Ajuste por mínimos cuadrados. Vamos a revisar esta técnica de ajuste de datos, ya que las técnicas de regresión lineal se trabajan ampliamente en los cursos de estadística. En la obtención de datos experimentales, cuando un conjunto de ellos son función de otro conjunto, puede presentarse el caso de que al graficarse la relación entre ellos aparecen varias líneas rectas que unen la mayoría de esos puntos. Se tiene, entonces, que decidir cuál es la “verdadera” línea recta que recoja a la mayor cantidad de puntos y que también se ajuste a la realidad experimental que tratan de representar. Para determinar esa mejor recta, se recurre al método de los mínimos cuadrados, cuyo fundamento y fórmulas vamos a estudiar enseguida: Sea una función tal que:

Yi = f(xi) Que se cumple para todo i = 1, 2, 3, …, n. Y cuya forma matemática se ajusta a una ecuación de la línea recta de la forma:

Yi = axi + b + ri Siendo a la pendiente, b un intercepto con el eje y, y ri un residuo. Como el valor Yi se determina experimentalmente, la cantidad:

axi + b = Yi’ Corresponde al valor calculado de Yi al emplear el xi determinado en las medidas de las dos variables (xi, Yi), dando origen a la cantidad ri en la ecuación de la línea recta, considerada más arriba, puesto que proviene de la diferencia entre el Yi medido experimentalmente y el Yi calculado:

ri = Yi – axi – b = Yi – Yi’

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Para el cálculo de los parámetros a y b de la anterior ecuación, se coloca como condición que la suma de los cuadrados de los n residuos debe ser mínima: Remplazando a ri por su valor, la anterior expresión queda: Para satisfacer esta condición las derivadas parciales de la anterior ecuación con respecto a los parámetros a y b de la ecuación en ajuste deben ser equivalentes a cero: Estas constituyen un sistema de dos ecuaciones con dos incógnitas. Su resolución origina las siguientes ecuaciones para los parámetros a y b, correspondiendo a la pendiente y al intercepto respectivamente, utilizándose para la determinación de los valores de esas dos características de la ecuación y que se utilizan para el ajuste de la ecuación empírica correspondiente:

n r2

i > 0 debe ser una cantidad mínima. i = 1

n [Yi – (axi + b)]2 debe ser un mínimo. i = 1

n n r2

i r2i

δ δ i = 1 = 0 i = 1 = 0 δa δb

n n n n xiyi – xi yi i = 1 i = 1 i = 1 a = n n 2 n xi

2 – xi i = 1 i = 1

n n n n xi yi – xi xiyi i = 1 i = 1 i = 1 i = 1 b = n n 2 n xi

2 – xi i = 1 i = 1

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Estas ecuaciones se consideran como las fundamentales del método de los mínimos cuadrados y se utiliza en el ajuste de los datos para funciones que cumplan con una relación equivalente a la de la línea recta. 3.8 Determinación de la concentración del problema. Al igual que con los patrones, se mide la absorbancia del problema. A partir de esa lectura, se determina la concentración del problema interpolándolo en la gráfica de la curva de calibración; luego se efectúan las operaciones necesarias para determinar la concentración del problema en la muestra original, teniendo en cuenta las diluciones realizadas y el peso original de la muestra sometida al análisis. Con el fin de aplicar el procedimiento expuesto, realicemos los siguientes ejercicios: Ejemplo 1. Para la determinación del contenido de fósforo de una harina comestible, por un método espectrofotométrico, se obtuvieron los siguientes datos de absorbancia para las soluciones patrones:

Tabla 38. Datos espectrofotométricos de la determinación de fósforo en harinas.

Patrón No. Concentración (p.p.m.) Absorbancia 1 2 0,112 2 4 0,222 3 6 0,342 4 8 0,456 5 10 0,532 6 12 0,585

De la muestra de harina se tomó 1,0000 g y luego de tratarla apropiadamente se llevó a un volumen de 100 mL. La lectura de absorbancia de esta solución fue de 0,237. Construya la curva de calibración (absorbancia en función de la concentración) y determine, por interpolación en esa curva, la concentración de fósforo en la harina expresándola en mg/100 g y en porcentaje. Al realizar la curva de calibración en papel milimetrado e interpolar los valores de la absorbancia de la muestra, se encuentra que tiene una concentración de 4,2 p.p.m. Si la solución de un gramo de muestra en 100 mL contiene 4,2 p.p.m., o sea 4,2 mg/L, en los 100 mL habrán 0,42 mg correspondientes a un gramo de muestra; en cien gramos tendremos 42 mg de fósforo. La expresión de la concentración de fósforo en la harina comestible es de 42 mg/100 g, correspondiendo al 0,042 %. Ejemplo 2. Para ilustrar cómo se hace un análisis complejo para una especie coloreada utilizando la espectrofotometría visible, resolvamos el siguiente problema:

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Para determinar la cantidad de níquel que posee un alimento, se diseñó u método de determinación utilizando la espectrofotometría visible puesto que el cloruro de níquel hexahidratado produce soluciones coloreadas. Con el fin de determinar la longitud de máxima absorción, se corrió el espectro cuyos datos se encuentran en la tabla 39. Una vez encontrada la longitud de onda de máxima absorción, que la puede comprobar construyéndola en papel milimetrado, se preparó la curva de calibración utilizando como patrón una solución de cloruro de níquel hexahidratado, efectuando una serie de diluciones para obtener los datos reportados en la tabla 40.

Tabla 39. Curva espectral para el NiCl2.6H2O Longitud de onda

(nm) Porcentaje de transmitancia

Longitud de onda (nm)

Porcentaje de transmitancia

370 45,0 440 75,2 380 27,5 460 88,5 390 19,5 480 95,5 395 18,5 500 99,0 400 19,0 520 98,0 405 18,0 540 97,0 410 28,5 560 93,2 415 34,0 580 87,8 420 41,0 600 79,0

Tabla 40. Curva de calibración para el níquel.

Concentración (p.p.m.)

Porcentaje de transmitancia

5,0 84,9 10,0 71,6 15,0 61,7 20,0 51,9 25,0 46,2

Luego se calcinaron 10 g del alimento, las cenizas se trataron con ácido clorhídrico concentrado y luego se llevó a un volumen de un litro, en donde fue leída, obteniéndose un 45,0 % de transmitancia. ¿Cuál es la concentración en p.p.m., de níquel presente en la muestra? ¿Cuál es su porcentaje? Para elaborar la curva espectral, es necesario transformar los valores del porcentaje de transmitancia a absorbancia, utilizando la fórmula A = 2 – log (% T). Usted debe obtener esos datos y construir sobre papel milimetrado la curva espectral y comprobar que la longitud de onda donde se presenta la máxima absorción es de 405 nm. Ahora, debe dibujar la curva de calibración (también en papel milimetrado), para lo cual debe hallar los valores de la absorbancia para cada porcentaje de transmitancia; una vez obtenidos, dibujará la curva y se dará cuenta que algunos de los datos no se ajustan

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completamente a la línea recta que debe pasar por el origen, por lo tanto es necesario ajustarla por el método de los mínimos cuadrados. La tabla 41 ilustra la forma en que se aplican las ecuaciones para hallar los valores de las constantes a y b. En algunos casos es necesario “forzar” a la curva a pasar por el origen ya que suele aparecer valores para el parámetro b, provenientes de la acumulación de errores. Si estos son muy grandes, es necesario revisar las condiciones de desarrollo del mismo para lograr su minimización. Si no es posible, se debe remplazar por otro método mucho más preciso.

Tabla 41. Valores calculados para ajuste por mínimos cuadrados.

ni Concentración

(xi) (p.p.m.)

Absorbancia (yi)

(xiyi) (xi)2

1 5,0 0,071 0,355 25 2 10,0 0,145 1,450 100 3 15,0 0,210 3,150 225 4 20,0 0,285 5,700 400 5 25,0 0,335 8,375 625 Σ 75,0 1,046 19,030 1375

(Σxi)2 = 5625 Remplazando en las expresiones de las ecuaciones para calcular los valores de los parámetros b y c tenemos: Para ajustar finalmente la curva, consideramos que 8,8*10- 3 ≈ 0, quedando la expresión de la ecuación:

A = 13,36*10- 3 Con esta ecuación se vuelven a calcular los valores de la absorbancia para cada concentración, se ajustan nuevamente los puntos y se trza la correspondiente recta, que servirá como la curva de trabajo. Para el ejemplo que se está estudiando, el ajuste se encuentra en la tabla 42:

Tabla 42. Curva de trabajo para la determinación de níquel en alimentos.

(5) (19,030) – (75,0) (1,046) a = = 13,36*10- 3 (5) (1375) – (5625)

(1375) (1,046) – (75,0) (19,030) b = = 8,8*10- 3 (5) (1375) – (5625)

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Concentración (p.p.m.) Absorbancia

5,0 0,067 10,0 0,134 15,0 0,200 20,0 0,267 25,0 0,334

Con el dato de absorbancia para el problema, se interpola en la curva de trabajo para hallar la concentración, la cual es de 62,0 p.p.m., encontrándose la primera pregunta resuelta. Para la segunda, relacionamos con el peso de la muestra y hacemos la proporción a los cien gramos de la misma para encontrar un porcentaje que corresponde al 0,26 %. No queda resuelto el problema.

ACTIVIDAD DE APRENDIZAJE 10

1. Construya un mapa conceptual para el tema de espectrofotometría.

2. Elabore un cuadro comparativo con los elementos que conforman el equipo de espectrofotometría y diferencie cuando es visible, infrarroja, ultravioleta y de absorción atómica.

3. Si dispone de los recursos o asociándose con otros compañeros (as) intente

construir un colorímetro y si le es posible diseñe una experiencia para determinar el espectro de absorción de los extractos de pétalos de flores previamente estabilizados.

4. Consulte en la literatura y tome fotocopias o cálquelas, espectros de sustancias en

el visible, el ultravioleta y el infrarrojo. Para absorción atómica ya conoce los espectros de emisión de los metales, que debió conocerlos en su curso de Química general.

5. Elabore una pequeña monografía sobre los errores que se suelen presentar en

estas técnicas y cuál es la absorbancia donde es factible minimizarlo.

6. Para determinar el cobalto en los alimentos, generalmente se recurre a la calcinación del mismo y al posterior tratamiento con ácido clorhídrico de modo que se forme el cloruro de cobalto hexahidratado, el cuál puede ser determinado por espectrofotometría visible. Para hallar la mejor longitud de onda se corrió la siguiente curva espectral:

Longitud de onda

(nm) Porcentaje de transmitancia

Longitud de onda (nm)

Porcentaje de transmitancia

370 91,5 500 15,0

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380 90,2 505 14,0 400 85,0 510 13,5 420 73,5 515 14,0 440 52,2 520 14,5 460 30,0 525 15,8 480 20,0 540 27,9 485 18,7 560 52,0 490 17,5 580 74,5 495 16,0 600 84,0

a) Calcule la absorbancia para cada caso. b) Construya la curva espectral graficando absorbancia en función de la

longitud de onda. c) Determine la longitud de onda de máxima absorción.

Para determinar la concentración de cobalto, se construyó la siguiente curva de calibración:

Concentración (p.p.m.) Porcentaje de transmitancia

32,0 52,2 48,0 38,0 60,0 29,1 80,0 20,0

100,0 13,0

7. La provitamina A se determina como β – caroteno. Para lo cual se hace una

extracción previa, se purifica por cromatografía de columna y el extracto se diluye a un volumen conocido y se lee a 450 nm. Para determinar el contenido de esta sustancia en un alimento, se preparó la siguiente curva de calibración:

Concentración

(µg/100 mL) Porcentaje

transmitancia 2,3 84,0 4,6 70,0 6,9 60,5 9,2 52,0

11,5 46,5 13,8 42,0

Calcule las unidades internacionales (U.I) de vitamina A que posee el alimento, sabiendo que se pesó 1,0000 g, se extrajo y purificó el β – caroteno, llevándolo a un volumen de 100 mL. Al leer en el espectrofotómetro se encontró que tenía un 66,0 % de transmitancia. (1 U.I. = 0,6 µg de β – caroteno).

8. El ácido ascórbico (vitamina C) se determina en los alimentos que lo contienen

utilizando el método de Mohr, en el cual la vitamina se trata con la 2 – nitroanilina diazotada para formar el derivado 2 – nitrofenilhidrazida del ácido oxálico, quien

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frente a un exceso de hidróxido de sodio forma la sal sódica que presenta un color rojizo – violeta cuya absorbancia se puede medir a 540 nm.

A un alimento se le determinó su contenido de ácido ascórbico utilizando esta técnica. Se pesaron 5,0000 g de la muestra, se extrajo la vitamina y se leyó en el espectrofotómetro encontrándose un 63,1 % de transmitancia. Calcule la cantidad en mg de la vitamina que se encuentra en 100 g de muestra. La curva de calibración utilizada fue la siguiente:

Concentración (p.p.m.)

Porcentaje de transmitancia

5,0 78,5 8,0 65,3

10,0 58,9 12,0 52,5 15,0 43,5 18,0 37,6 20,0 34,3 25,0 31,0

Desarrolle el ejercicio conforme a los procedimientos establecidos.

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TEMA 3

CROMATOGRAFÍA En este último tema, vamos a considerar los métodos clásicos de análisis ya que dan algunos de los fundamentos de un técnica más moderna y de amplia aplicación como es la cromatografía, la cuál también ha desarrollado algunos medios instrumentales especialmente en el trabajo con gases y con columna líquida de alta presión. Seguiremos de cerca el texto anterior que tenía implementado la universidad ya que muchos de esos principios son todavía válidos y la escritura de los mismos ha sido didáctica, nos limitaremos especialmente ha efectuar las adecuaciones requeridas para ajustarlos a la forma en que hemos venido desarrollando este módulo78. 1. Métodos de separación y purificación. 1.1 Métodos clásicos. Antes de entrar a estudiar los métodos de separación y purificación cromatográficos, recordemos los métodos clásicos empleados para realizar estas operaciones: sedimentación, decantación, filtración, precipitación, extracción, cristalización y destilación, algunos de los cuales se mencionaron y emplearon en las técnicas clásicas de análisis estudiadas en la primera unidad. La sedimentación es el depósito de materiales insolubles, suspendidos o formados en medios líquidos. Con la decantación se separan el líquido y el sólido obtenidos en la sedimentación, vertiendo o sifoneando el líquido. La sedimentación y la decantación permiten una separación rápida pero no completa entre un sólido y un líquido.

78 RAMÍREZ, Inés de Bernal y otros. Química analítica. Bogotá, Unisur, 1996., pp. 555 – 706.

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La precipitación es la operación mediante la cual una sustancia soluble se convierte en una insoluble, por una acción física (variación de temperatura) o una acción química (adición de un reactivo). La filtración es la operación a través de la cual se separan líquidos de sólidos mezclados, haciéndolos pasar por un material poroso que retiene los sólidos y permite el paso del líquido. Mediante este método no se pueden separar entre sí los líquidos ni los sólidos cuando existen mezclas entre ellos. El método de separación por precipitación se utiliza en la industria, por ejemplo, en la fabricación de panela, cuando se agregan el mucílago vegetal o fosfato monocálcico para precipitar los materiales que contamina el jugo de caña o guarapo, los cuales se separan por filtración con espumaderas. Este método solamente es aplicable a sustancias que se precipitan mediante la adición de un reactivo o por la variación del pH. La extracción es una operación por medio de la cual se separan los componentes de una mezcla que interesan de los que no se requieren. Para esto se pone en contacto con la mezcla un líquido (solvente) capaz de disolver las sustancias de importancia y que sea inmiscible con el resto de material. La extracción puede realizarse utilizando el solvente en frío o en caliente y de acuerdo con la temperatura se utiliza el extractor de Soxhlet o un embudo de decantación o equipos especiales para la extracción con solventes líquidos que utilizan la diferencia de densidad. Generalmente estas técnicas utilizan solventes orgánicos como etanol, benceno, éter etílico y éter de petróleo e inorgánicos, principalmente el agua. El sistema de extracción puede ser continuo o discontinuo, un ejemplo del primer proceso es la extracción de la grasa de muestras sólidas de alimentos, empleando el extractor tipo Goldfish o el Soxhlet y del segundo el empleo del embudo de separación. ¿Cómo se efectúa el proceso de extracción líquido – líquido? Imaginemos un compuesto C que se encuentra disuelto en el solvente A en una determinada cantidad, no necesariamente hasta alcanzar el grado de saturación. Para extraerlo utilizamos un solvente B, inmiscible con la mezcla CA. Al añadir B sobre el sistema CA y agitamos, el compuesto C se distribuye entre los dos solvente conforme a la solubilidad diferencial que tiene en cada solvente. A la relación entre la concentración de soluto en cada solvente se le denomina coeficiente de distribución o de partición que se puede expresar matemáticamente así: Siendo: CA = concentración del compuesto C en A.

CB Coeficiente de partición = K = CA

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CB = concentración del compuesto C en B. Es más efectivo extraer el compuesto con varias porciones sucesivas de pequeños volúmenes de B que en una sola extracción con un mayor volumen del solvente. Esto se puede plantear matemáticamente así: S = gramos iniciales del soluto C en A. VB = volumen de solvente B en mL. VA = volumen de solvente A en mL. X = gramos de soluto C extraído en un volumen de B. Después de la primera extracción, la concentración S en el solvente A será: Mientras que en el solvente B será: Ahora remplazamos en la expresión del coeficiente de distribución, efectuamos el despeje respectivo, simplificamos y finalmente obtenemos la siguiente expresión que nos permite calcular, al menos teóricamente, la cantidad X del componente C que estamos extrayendo con cada cantidad de solvente B: La cristalización es un método empleado para purificar sólidos, en el cual se realizan los siguientes pasos:

Elección de un líquido que disuelva bastante al sólido en caliente y relativamente poco en frío.

Disolución del sólido en la mínima cantidad del solvente elegido, en caliente. Filtración de la solución en caliente. Reposo de la solución hasta la cristalización del sólido. Separación del líquido madre mediante filtración. Lavado de los cristales con el solvente frío.

Las impurezas más solubles que el sólido a purificar quedan disueltas en los líquidos madres y las menos solubles quedan sobre el filtro. Generalmente, es necesario repetir este proceso varias veces para obtener sólidos mucho más puros.

S – X CA = VA

X CB = VB

K VB S X = VA + K VA VB

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1.2 Destilación. Puesto que algunos principios de la destilación son análogos a los fundamentos de algunos de los métodos cromatográficos, estudiaremos con más detalle esta técnica. El proceso utilizado permite la separación y purificación de sustancias líquidas basado en la diferencia de su volatilidad o mejor, de sus puntos de ebullición. 1.2.1 Destilación simple. Consiste en calentar el líquido hasta la ebullición dentro de un recipiente adecuado, conectado a otro llamado refrigerante en donde es posible enfriar los vapores para que se condensen a líquido más puro, recibiéndolo en otro recipiente recolector. Lo anterior lo logramos a que las moléculas del líquido más volátil tienen una energía cinética mayor que les permite escapar de la mezcla pasando a vapor, lo que significa que un líquido a una determinada temperatura siempre estará en equilibrio con una atmósfera enriquecida con vapor. La presión que ejercen dentro del líquido es directamente proporcional a la temperatura; si la aumentamos suministrando calor vamos a encontrar que esa atmósfera tendrá más vapor que aire. Al alcanzar el punto de ebullición, se igualan los valores de la presión de vapor del líquido a la atmosférica y la atmósfera sobre el líquido será únicamente de vapor. La destilación simple purifica un líquido con sólidos disueltos o líquidos con puntos de ebullición muy diferentes; cuando la mezcla de líquidos tiene puntos de ebullición semejantes o vecinos, es necesario realizar destilaciones simples sucesivas, recogiendo sólo una fracción cada vez o empleando la siguiente modificación. 1.2.2 Destilación fraccionada. Esta modificación permite efectuar las destilaciones sucesivas requeridas para separar los líquidos de punto de ebullición vecinos sin que sea necesario recoger o transferir fracciones intermedias. Para entender el proceso de la destilación fraccionada consideramos que, si se somete a ebullición una mezcla de dos líquidos miscibles podemos observar uno de los siguientes comportamientos:

El punto de ebullición es una temperatura variable entre los puntos de ebullición de los dos componentes.

El punto de ebullición es una temperatura constante más baja que la esperada para cualquiera de los dos componentes.

El punto de ebullición es una temperatura constante más alta de la que se espera para cualquiera de los dos componentes.

Aquellas mezclas que presenten el comportamiento descrito en el primer inciso se pueden separar por la técnica de la destilación fraccionada. Imaginemos una mezcla de dos compuestos A y B. A tienen un punto de ebullición menor que el de B.

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Cuando esta mezcla se somete a ebullición, el vapor que se forma tiene una mayor proporción de A y al condensarlo, el líquido será mucho más rico en A que en B, el cual se consideraría como una contaminación. El equipo utilizado tiene los siguientes recipientes: un balón de fondo redondo con un cuello estrecho, una columna de fraccionamiento que tiene muchas formas pero la más sencilla es un tubo de vidrio con una tubuladura lateral y dentro de él existen pedazos de vidrio, un condensador de forma variada aunque se usa el recto, una alargadera que permite depositar el líquido condensado dentro de un recipiente.

Figura. 16. Esquema de un equipo de destilación fraccionada.

Si al balón de destilación le conectamos una columna de vidrio llamada columna de fraccionamiento, la cual está rellena por pedazos de vidrio para aumentar la superficie de condensación, será mucho más eficiente entre más platos teóricos tenga. Un plato teórico equivaldría al sitio real de la columna donde ocurre una destilación simple y el número de esos platos daría la cantidad de destilaciones que ocurren en la longitud de la columna, cada una de ellas enriqueciendo mucho más el vapor en el componente A o el más volátil hasta que al final solo destila A puro. En el balón de destilación, al someter a ebullición la mezcla AB, el vapor de AB ascenderá por la columna, sufre un enfriamiento, de tal forma que el compuesto con mayor punto de ebullición, B, se condensa regresando al balón, mientras que el vapor será cada vez más rico en A aunque lleva algo de B, sigue subiendo a regiones de la columna más frías donde se sigue condensando B, descendiendo por la columna hasta encontrar otro punto de equilibrio. Esto significa que en la columna se está presentando un gradiente de temperatura, es decir, regiones en las que existe un equilibrio no solamente entre vapor – líquido sino también de temperatura, siendo más caliente cerca al balón de destilación y más frío en la zona de la tubuladura que descarga el vapor al condensador donde se enfría pasando a líquido. La columna de destilación se cierra con un termómetro que nos permite controlar la temperatura del vapor que está emergiendo de la columna y que debe coincidir con el punto de ebullición de A. Hay otras técnicas como son la destilación por arrastre con vapor de agua. Procedimiento utilizado para separar las sustancias volátiles de otras no volátiles o menos volátiles presenten en mezclas acuosas o para separar líquidos inmiscibles con agua. Un ejemplo del primer caso es la destilación del etanol presente en una bebida alcohólica y del segundo caso, la obtención de aceites esenciales a partir de extractos vegetales que los contienen. Para comprender el mecanismo de estos procesos debemos recordar la ley de Dalton sobre las presiones parciales: cuando dos o más gases o vapores, que no reaccionan entre sí, se mezclan a temperatura constante, cada gas ejerce la misma presión que si

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estuviera solo y la presión total del sistema es la suma de las presiones de cada uno de los componentes de la mezcla. Si: PT = presión total de la mezcla. P1 = presión del componente 1. P2 = presión del componente 2. La ley de Dalton será:

PT = P1 + P2 + … + Pn El punto de ebullición de una mezcla de dos líquidos inmiscibles es la temperatura en la cual la suma de las presiones de vapor de los componentes es igual a la presión atmosférica y siempre es menor al punto de ebullición del componente más volátil cuando está puro. Esta propiedad permite realizar el proceso trabajando a presión atmosférica y tomando al agua como uno de los compuestos. Así es posible separar el componente de más alto punto de ebullición a una temperatura menor de 100 ºC, previniendo en muchos casos la descomposición del componente de interés o a separar. 2. Cromatografía. Los métodos clásicos de separación fueron insuficientes, especialmente en los campos de la química orgánica y la bioquímica, para la separación de mezclas complejas tales como las de hidrocarburos, colorantes, aminoácidos, vitaminas y muchas más. Por tanto, fue necesario desarrollar otras técnicas más eficientes, como la cromatografía; si se utiliza uno de los métodos clásicos, por ejemplo la filtración para la separación de los constituyentes de una fruta, se comprobará que al preparar el jugo de la fruta en agua y luego de filtrarlo, sobre el filtro quedará material fibroso y a través del filtro pasarán disueltos en el agua los azúcares, aminoácidos, vitaminas y otros todos ellos mezclados. Podremos recuperar algunos de ellos a través de la cristalización pero otros definitivamente no lo podemos realizar. Pero si recurrimos a técnicas cromatográficas adecuadas cono la de gases y la de intercambio iónico es posible lograr recuperar la mayoría de ellas e incluso identificarlas. Cuando una sustancia se encuentra acompañada de otras, se puede purificar utilizando una de las siguientes técnicas: destilación si la sustancia es líquida, cristalización si es sólida y cromatográfica si es líquida, sólida o gaseosa. Si obtiene un compuesto o sustancia procedente de un producto natural o sintético y requiere saber qué es o que grupos funcionales posee, puede recurrir a la cromatografía o incluso tratar de identificarlo sabiendo a que grupo pertenece, como en el caso de azúcares, pero desea saber si es glucosa, fructosa, sacarosa o almidón. La cromatografía es una técnica sencilla y relativamente económica en el uso de equipo, reactivos y procedimientos como lo estudiaremos más adelante; requieren una cantidad pequeña de muestra o la podemos utilizar para purificar compuestos y recuperarlos para

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iniciar estudios mucho más complejos donde se exige que la pureza de la misma sea muy alta. Es así que dentro de las clasificaciones de pureza se hable del grado cromatográfico. 2.1 Fundamentos. Todos los métodos de separación y purificación de los constituyentes de mezclas se basan en la diferencia de alguna propiedad física o química de esos componentes. Los métodos clásicos: sedimentación, decantación, filtración, precipitación y cristalización se fundamentan en la diferencia de solubilidad de las sustancias en un solvente. La destilación como método de separación y purificación de los componentes de mezclas líquidas se basa en la diferencia de los puntos de ebullición de esos líquidos. Los métodos cromatográficos para la separación y purificación de los componentes de mezclas se fundamentan en la diferencia de una propiedad, pero diferente a la de los métodos clásicos y específica para cada clase de cromatografía. El término cromatografía se aplica generalmente a aquellos procesos en los cuales se aprovecha la diferencia de velocidad de migración presentada por los componentes de la mezcla analizada, entre un medio estacionario y la acción de una fase móvil. Supongamos que tenemos una mezcla de tres tipos de bolas de plástico, unas tienen la superficie perfectamente pulidas, otras presentan superficies rugosas y las terceras son más pesadas que las anteriores. Queremos separarlas sobre una superficie fija de paño, utilizando un chorro de aire; una vez hemos iniciado el proceso, encontramos que ellas corren a diferente velocidad: las de superficie lisa se colocan al frente, las rugosas se ubican en un espacio intermedio según la fuerza de la corriente de aire y las terceras constituyen el último grupo en moverse. La separación lograda depende de la interacción superficial de cada esfera con el paño y de la fuerza de la corriente de aire. En la cromatografía, el aire representa a la fase móvil o eluyente, el paño a la fase estacionaria. Mientras que el tipo de interacción esfera – paño representaría a las fuerzas que intervienen en la separación de las mezclas, siendo el que separaría a cada tipo de cromatografía. Este modelo sería el que utilizaríamos para estudiara cada uno de los tipos de cromatografía que podríamos emplear para separar las mezclas de interés e identificar inicialmente a cada tipo de sustancias separada. 2.2 Clases de cromatografía. Podemos establecer dos criterios: uno es el tipo de fenómeno predominante y el otro según las fases implicadas. De todas formas, lo importante es conocer realmente las fuerzas que intervienen y que se pueda constituir como el elemento fundamental para la selección de algunas de esas técnicas según el tipo de mezcla problema que tengamos que separar. 2.2.1 Según el fenómeno predominante.

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Las separaciones de los constituyentes de la mezclas por métodos cromatográficos, se basan principalmente en los fenómenos de absorción, reparto, intercambio iónico y diferencias en el peso molecular. Con base en esos fenómenos, la cromatografía será de adsorción, reparto, intercambio iónico y de filtración por gel o de tamices moleculares. Sin embargo, en muchas de ellas participan combinaciones de fenómenos descritos pero esencialmente la separación dependerá mucho de la predominancia de uno de ellos, dándole su carácter distintivo. También se clasifica según la técnica empleada en cromatografía de papel, de capa delgada o de columna. 2.2.1.1 Cromatografía de adsorción. La adsorción es un fenómeno basado en la diferencia de interacciones entre la superficie del sólido estacionario y los solutos o adsorbatos transportados en el solvente o fase móvil. Las interacciones adsorbente – soluto son del tipo de fuerzas de Van der Walls, puentes de hidrógeno y enlaces de tipo electrostático. Durante el desarrollo cromatográfico, el adsorbente retiene en su superficie al soluto presente en la solución, pero al moverse el adsorbato es eluido parcialmente y adsorbido nuevamente en otra zona del adsorbente, recordando el fenómeno de la destilación fraccionada por lo que se utiliza el concepto del plato teórico encontrando la posibilidad de establecer un equilibrio entre las dos fases. El equilibrio entre el soluto adsorbido y el disuelto es función de un coeficiente de adsorción característico del sistemas adsorbente – adsorbato y varía con la concentración del soluto y la temperatura. Se representa gráficamente como una isoterma de adsorción, donde la concentración del soluto en el adsorbente es una función de la concentración del soluto en fase móvil; se esperaría que idealmente fuera una línea recta, pero en la realidad corresponde a parábolas con una linealidad en la región de baja concentración. La isoterma de adsorción ideal (lineal) expresa que el coeficiente de adsorción es constante, es decir, el adsorbente siempre retiene igual cantidad de adsorbato y no hay saturación en la superficie del adsorbente. Además, indica que el equilibrio es instantáneo y no hay difusión de soluto en la fase líquida. Cuando las condiciones de idealidad se presentan en la cromatografía de adsorción, después de realizado el desarrollo, los solutos se separan en la columna cromatográfica en secciones cilíndricas perfectamente definidas, mientras que en la cromatografía de placa se obtienen manchas totalmente circulares y con bordes bien delineados, sin colas. En la realidad, la saturación del adsorbente, la demora en establecer el equilibrio adsorbente – adsorbato y la presencia de fenómenos de difusión hace que la isoterma se transforme en parábola y exista una línea de asíntota imaginaria que muestra la máxima capacidad de trabajo del sistema. Esta limitación, realmente es una ventaja comparativa ya que es adecuada para trabajar con pequeñas cantidades de sustancias, lo que realmente ocurre en los problemas de separación e identificación de sustancias provenientes de productos como los alimentos.

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El éxito de la técnica es poder tener componentes en la mezcla con diferentes isotermas de adsorción y lo más alejados posibles entre ellas, y cada una de ellas con un comportamiento de adsorción diferente; ni tan débil que se aproxime al eje de las abscisas ni tan fuerte que se acerque al eje de las ordenadas. 2.2.1.2 Cromatografía de reparto. El reparto es un fenómeno debido a la diferencia de solubilidades entre la fase móvil y la fase estacionaria. Se presenta cuando ambas fases son líquidas permitiendo que el adsorbente tenga diferentes concentraciones según su solubilidad en cada una de ellas. El coeficiente de reparto es específico del sistema solvente – adsorbato y depende únicamente de la temperatura. La técnica cromatográfica requiere una modificación y es la de disponer de un soporte donde fijar a la fase líquida estacionaria; su desarrollo nació de la necesidad de separar los hidrolizados de proteína buscando la separación y caracterización de cada uno de los aminoácidos que conformaban la proteína analizada. Se ha efectuado el cálculo del tamaño de un plato teórico de esta técnica encontrándose en rangos de 0,002 mm; por lo tanto, una columna cromatográfica de unos pocos centímetros tendrá muchísimos más regiones de separación que la columna de destilación fraccionada más eficiente. Las isotermas de reparto o de partición representan la concentración de soluto en la fase estacionaria en función de la concentración de soluto en la fase móvil determinando la constante de reparto que tiene las mismas implicaciones de la isoterma de adsorción, sin embargo las impurezas no influyen tanto en la separación lográndose valores más reproducibles que en la técnica anterior. 2.2.1.3 Cromatografía de intercambio iónico. La base de este tipo de cromatografía es encontrar diferencias en la afinidad que exhiben ciertas sustancias de intercambiar iones o especies de igual carga puesto que el sistema debe ser siempre eléctricamente neutro. El ejemplo clásico es remover la dureza del agua potable, debida al exceso de concentración de iones de calcio (II) y de magnesio (II), utilizando una zeolita de sodio. La reacción que ocurre es:

Ca2 + + Zeolita – Na → 2Na+ + Zeolita – Ca Los intercambiadores iónicos son un conglomerado macromolecular, sólido, denominado macro Ion, que contiene cargas positivas o negativas que por atracción electrostática retiene cargas de signo contrario, llamadas iones móviles o contraiones que pueden ser susceptibles de intercambiar por iones del mismo signo como lo describe la ecuación de equilibrio de la zeolita. El modelo físico más idóneo para ilustrar la matriz de esta cromatografía es el de la esponja, la estructura sólida correspondería al macro Ion y en los poros se encontrarían los contraiones. Cuando se pasa la solución con exceso de iones por la esponja, se desplazarían son contraiones de los poros dejando paso a los que trae la solución.

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En los intercambiadores catiónicos, el macro Ion son aniones, mientras que el contraion es catiónico como es el caso de la zeolita de sodio. En los intercambiadores aniónicos el contra Ion es catiónico y los contraiones son aniones. Estas resinas de intercambio iónico se pueden reconstituir haciendo un lavado con una solución que contenga el ion original de la misma, por ejemplo, la zeolita – Ca se regenera pasando una solución diluida de cloruro de sodio dejándola nuevamente como Zeolita – Na. Comercialmente se les asigna las características que poseen como el ser fuertes o débiles, porcentaje de enlace transversal efectuado por el componente activo su composición y la cantidad de iones que puede intercambiar teóricamente en miliequivalentes por gramo de resina seca como ácido o como cloruro. Otros fenómenos que pueden participar en el proceso de separación cuando se utiliza esta técnica es el equilibrio del intercambio, pH, hinchamiento de la resina, tiempo de contacto, sustancias disociadas y no disociadas, signo y tamaño de la carga, tamaño de los iones, formación de complejos y fenómenos de adsorción, pero como lo mencionamos antes, la separación depende principalmente del intercambio iónico. 2.2.1.4 Cromatografía de filtración por gel o de tamices moleculares. Las separaciones en este tipo de cromatografía dependen de la conformación estructural de las moléculas por separar. Las moléculas muy grandes no podrán penetrar la estructura de la fase estacionaria, mientras que las pequeñas lo harán difundiéndose en los poros del gel, moviéndose más lentamente a lo largo de la columna, fluyendo siguiendo un orden descendente de pesos moleculares. Los materiales usados en esta técnica determinan un grado de selectividad definiendo los pesos moleculares que pueden separar. 2.2.2 Cromatografías según las fases implicadas. Hay establecidas cuatro tipos según se tengan combinaciones de fases líquidas y gaseosas, así:

Cromatografía líquida. (CLL). Las fases móvil y estacionaria son líquidas. La fase estacionaria está adherida a un soporte sólido.

Cromatografía gas – líquido. (CGL). La fase estacionaria es líquida mientras la móvil es gaseosa.

Cromatografía gas – sólida. (CGS). Se diferencia de la anterior en que la fase estacionaria es un sólido y la móvil sigue siendo un gas.

Cromatografía líquida – sólida. (CLS). La fase estacionaria es un sólido y la fase móvil es un líquido.

Estas técnicas requieren equipos más sofisticados por lo que siguiendo el símil de las técnicas instrumentales trabajadas en los temas anteriores corresponderían a métodos instrumentales de la cromatografía que comúnmente se identifican con las técnicas de cromatografía de gases y cromatografía de alta presión o HPLC. 2.3 Criterios para la selección de la clase de cromatografía. Para seleccionar la clase de cromatografía apropiada y separar los constituyentes de una mezcla, debemos tener en cuenta las siguientes propiedades:

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Carácter hidrofílico o lipofílico de la mezcla. Carácter iónico. Peso molecular relativo.

Si la mezcla es soluble en agua se emplea generalmente cromatografía de reparto, utilizando como fase estacionaria un sorbente que retenga agua, por ejemplo, de tal manera que se realice el reparto ente el eluyente de la fase móvil y el agua de la fase estacionaria, de acuerdo con su coeficiente de reparto. Pero si la mezcla no es soluble en agua sino en los solventes de las grasas (éter etílico, éter de petróleo, etc.), es decir, es lipofílica, se obtendrá una buena separación de sus constituyentes por cromatografía de adsorción. Observamos que en el caso de la cromatografía de reparto se nombra el agua porque es indispensable para que la muestra se distribuya en las dos fases. En cambio, cuando se trata de cromatografía de adsorción el agua debe eliminarse para que la fase estacionaria tenga mayor capacidad de adsorción. Si la mezcla es iónica, sus constituyentes se separarán muy bien empleando cromatografía de intercambio iónico, para lo cual se utiliza como fase estacionaria una resina de intercambio iónico adecuada. Si el problema tiene componentes de alto peso molecular en los cuales hay interés, la cromatografía por filtración en gel es el método que dará buenos resultados en la separación y purificación de esas moléculas. 3. Cromatografía en papel. Vamos a estudiar cada una de las técnicas de uso más común, que corresponderían a las clásicas en nuestro esquema de estudio para finalizar con las instrumentales (cromatografía de gases y líquida de alta eficiencia). 3.1 Principio. La cromatografía en papel es una técnica que permite la separación e identificación de sustancias químicas al utilizar un solvente que se desplaza sobre hojas o tiras de papel de filtro en cantidades que no superan al microgramo. La separación de cada sustancia es producto de la acción de fuerzas propulsoras y de retardantes. Entre las primeras tenemos el flujo del disolvente y la solubilidad de cada componente de la mezcla en la fase móvil y entre las segundas se cuenta la adsorción y reparto dependiendo de las características del sistema. 3.2 Equipo empleado. Los materiales adecuados para trabajar con la cromatografía en papel son: papel adecuado que constituya la fase estacionaria, aplicadores de muestra, cámaras para el desarrollo, eluyentes utilizados para el desarrollo, reveladores para localizar los componentes de la mezcla ya separados y atomizadores para la aplicación de los agentes de revelado.

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Dentro del equipo adicional, no indispensable, está una cámara provista de luz ultravioleta para la confirmación de la presencia de ciertos componentes y un densímetro para efectuar análisis cuantitativo. 3.2.1 Fase estacionaria. El papel utilizado en cromatografía está constituido por celulosa; el más adecuado es a base de linters79, no debe contener aprestos ni sustancias solubles. Se fabrican varias clases que se diferencian entre sí por el espesor y la velocidad de flujo; los más delgados se utilizan en cromatografía analítica y los más gruesos para cromatografía preparativa. Las marcas más conocidas son:

Tabla 43. Características, utilidad y casa productora de algunos papeles para cromatografía.

Marca y referencia Características Utilidad Casa productora

Whatman (W) No. 1 Corre con lentitud. Superficie suave.

El más usado comúnmente.

Reeve & Angel Ltd. Inglaterra.

Whatman No. 3 Superficie rugosa. Para grandes cantidades de muestra.

Reeve & Angel Ltd. Inglaterra.

Whatman No. 4 Desplaza más rápido que el W. No. 1.

Cromatografía ascendente.

Reeve & Angel Ltd. Inglaterra.

Whatman 3 MM Grueso Cromatografía cuantitativa.

Reeve & Angel Ltd. Inglaterra.

Scheilcher &Schuell (S-S) 2043 b

Equivale al W No. 1. Pesa 120 g/m2.

Buenos resultados en casi todas las separaciones.

Scheilcher & Schuell. Dassekem Krs, Einbeck, Alemania o Estados Unidos.

Scheilcher & Schuell 2043 a

Muy parecido al anterior. Pesa 80 g/m2.

Scheilcher & Schuell. Dassekem Krs, Einbeck, Alemania o Estados Unidos.

Scheilcher & Schuell 2045 a y b

Más lento que los anteriores.

Separan muy nítidamente.

Scheilcher & Schuell. Dassekem Krs, Einbeck, Alemania o Estados Unidos.

Scheilcher & Schuell 2040 a y b

Corren con rapidez. Corresponden al W N. 4.

Scheilcher & Schuell. Dassekem Krs, Einbeck, Alemania o Estados Unidos.

El papel viene generalmente en pliegos de aproximadamente 60 por 58 cm y en ocasiones en rollos. Es necesario manipularlo con guantes para evitar contaminaciones. 3.2.2 Aplicadores. La aplicación o siembra de la muestra en el papel se hace utilizando tubos capilares. Si es cromatografía cuantitativa, se hace con micro pipetas para determinar los microlitros aplicados a la fase estacionaria. 79 Linters: son las fracciones de las fibras del algodón que quedan adheridas a la semilla en el desmote.

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3.2.3 Cámaras. Son recipientes comúnmente de vidrio y de mayor tamaño al del papel utilizado para la separación. 3.2.4 Eluyentes o solventes. El solvente transporta la muestra y efectúa su desarrollo a través de la fase estacionaria. Debido a que con la cromatografía se detectan cantidades en el orden de los microgramos, los disolventes o eluyentes empleados deben ser muy puros en clasificaciones denominadas grado analítico o grado cromatográfico80. Cuando no se dispone de esta clase de reactivos es necesario purificarlos. En ocasiones estos eluyentes se emplean solos, pero la mayoría de las veces se utilizan en mezclas binarias, ternarias o cuaternarias. 3.2.5 Reveladores. El revelado es la operación que permite localizar las sustancias incoloras en la fase estacionaria, luego del desarrollo cromatográfico. Este proceso puede realizarse utilizando propiedades físicas o químicas de los constituyentes de la mezcla a separar. Las propiedades físicas puede ser radioactivitas, absorción de luz ultravioleta en el rango de 240 a 260 nm. En estos casos se utilizaría un contador Geiger o la cámara provista con luz ultravioleta para poderlas ubicar sobre el papel. La mayoría de las veces se aprovechan las propiedades químicas de los componentes de las mezclas. Así, si se trata de aminoácidos se revelan utilizando un agente cromóforo como la solución de ninhidrina que produce con ellos una mancha de color violeta típica. 3.2.6 Atomizadores. La aplicación del agente de revelado se hace utilizando un recipiente aspersor, atomizador o pulverizador. Hay muchos de ellos a nivel comercial. 3.3 Procedimiento. Conocido el equipo, ahora vamos a estudiar la forma como se realiza la técnica cromatográfica utilizando papel. Se recomienda efectuar algunos ensayos preliminares para tener certeza del tipo de mezcla por separar y del principal fenómeno que lo permita: adsorción o reparto. 3.3.1 Preparación de la muestra.

80 Una sustancia es grado cromatográfico cuando al desarrollarse en diferentes sistemas cromatográficos, produce solamente una mancha, correspondiente a una sustancia.

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En algunos casos, la preparación es muy sencilla, como en el caso del análisis de los azúcares presentes en una fruta, donde la muestra se obtiene haciendo un jugo y filtrándolo. Cuando se trata de mezclas mucho más complejas, primero se debe eliminar los compuestos que puedan interferir en el análisis, es el caso de la preparación de la muestra de aminoácidos proveniente de un tejido animal, que requiere la eliminación previa de grasas, carbohidratos y sales inorgánicas para obtener buenos resultados. Si la muestra es sólida, se pulveriza y se extrae con un solvente de bajo punto de ebullición y luego se somete al análisis respectivo. Lo más importante es que la solución debe ser completamente transparente. 3.3.2 Corte del papel. Los trazos se hacen con lápiz de grafito puesto que los colorantes que componen la tinta interfieren en el análisis. El papel se corta de un tamaño adecuado al número de muestras a analizar y a la clase de cromatografía que se va a realizar. Se aconseja que la distancia entre muestras y con los bordes de papel sea mínimo de un centímetro, un largo de la tira de 8 cm es adecuado para ensayos preliminares y de 12 a 25 cm cuando se vayan a separar constituyentes de la mezcla. El sentido de la flecha indicado en los pliegos del papel debe quedar en el sentido de desarrollo, es decir, a lo largo de la tira. Siempre que se corte papel, conviene tener la precaución de marcar la flecha en el resto del pliego; si no se encuentra, se coloca sobre un pedazo del papel una gota de agua destilada con una pipeta o un gotero y se marca la flecha en el sentido en que se desplaza el óvalo buscando su mayor diámetro. 3.3.3 Ensayo de concentración. Con la muestra en solución, se realiza un ensayo para determinar la cantidad adecuada de ella, es decir, suficiente para que se obtengan en los cromatogramas, las manchas definidas para cada compuesto con buena intensidad, pero tampoco tan concentradas que se produzcan estelas o colas. Para ello se lleva un ensayo in situ (sin ningún desarrollo), aplicando en distintos sitios de un papel apropiado de unos 5 x 5 cm diferentes cantidades: una, dos, cinco, diez gotas y sin son materiales biológicos se aconseja aplicar la muestra como una línea o raya. Si las sustancias no son coloreadas, se revela y se escoge la cantidad que produzca una mancha de buena intensidad. Cuando el ensayo in situ ha determinado aplicar dos o más gotas de la solución, se recomienda dejar evaporar el solvente antes de sembrar la siguiente gota, esto impide que la muestra se difunda y se logre la separación esperada. 3.3.4 Ensayo para elegir eluyentes y desarrollo. Aunque la literatura sobre cromatografía recomienda los eluyentes para separar muchas clases de mezclas, es muy conveniente realizar algunos ensayos preliminares de estos, debido a que la mezcla por separar, probablemente es diferente a las citadas y, además, seguramente no se dispone de toda clase de eluyentes.

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Tales ensayos preliminares se pueden realizar de dos maneras: in situ o efectuando desarrollos; en los dos casos, empleando varios eluyentes. Para efectuar el ensayo in situ, se siembran varias manchas con la cantidad de gotas previamente definidas, se deja evaporar el solvente y se aplica a cada una de ellas los eluyentes a utilizar recomendados por la literatura y otros disponibles con polaridad similar a la de la mezcla en cantidades adecuadas, se revela si es necesario y se escoge el que mejor separación de, es decir, el que produzca más manchas concéntricas ya que cada una de ellas correspondería, en principio, a los componentes de la mezcla por separar. La tabla 44 reúne la serie mixotrópica o de ordenamiento de solventes útiles en cromatografía de papel comenzando por los más polares y terminando con los más lipofílicos.

Tabla 44. Serie mixotrópica de los solventes más usados. Orden Solvente Orden Solvente

1 Agua 23 Ciclohexanol 2 Formamida 24 Alcohol isoamílico 3 Ácido fórmico 25 Alcohol n – amílico 4 Acetonitrilo 26 Acetato de etilo 5 Metanol 27 n – hexanol 6 Ácido acético 28 Colidina 7 Etanol 29 Éter 8 Isopropanol 30 Acetato de n – butilino 9 Acetona 31 Nitrometano

10 n - propanol 32 Cloruro de metileno 11 Dioxano 33 Cloroformo 12 Ácido propiónico 34 Dicloroetano 13 Tetrahidrofurano 35 Benceno 14 t - butanol 36 Tricloroetileno 15 Ácido isobutírico 37 Tolueno 16 s - butanol 38 Xileno 17 Metil – etil – cetona 39 Disulfuro de carbono 18 Ciclohexanona 40 Ciclohexano 19 Fenol 41 Éter de petróleo 20 Alcohol t – amílico 42 Kerosene 21 n – butanol 43 Aceite de parafina 22 m – cresol

Para elegir los eluyentes, efectuando desarrollos, se alistan tantas tiras de papel cuantos eluyentes se deben ensayar y cada una de ellas se marca con lápiz el origen a unos 2 ó 3 cm del borde inferior de la tira y se aplica la cantidad de gotas determinadas en el ensayo de concentración, se desarrollan sumergiendo la tira por el extremo más próximo al sitio donde se marcó la muestra en cada eluyente contenido en un frasco o cubo herméticamente tapado, denominado cámara. Con el objeto de obtener mejores resultados, se permite que la cámara se sature de los vapores de los componentes del eluyente, antes de colocar el papel, conservándola herméticamente tapada. Para acelerar las saturaciones de la cámara, se acostumbra colocar papel de filtro empapado en el solvente de desarrollo en aproximadamente la mitad del interior de los papeles de la cámara.

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El eluyente asciende o desciende por el papel separando los componentes de la mezcla, esta parte corresponde al desarrollo y se busca que el frente del solvente alcance a llegar casi al borde contrario al de siembra de la muestra, el cual se marca con un lápiz de grafito, se retira el papel de la cámara, se deja secar y se observan los compuestos separados si ellos son coloreados o se revelan cuando son incoloros. El sentido del desarrollo puede hacer que la técnica de la cromatografía sea ascendente, descendente u horizontal donde también puede haber variaciones como sencillo, múltiple, continuo, circular, en cuña o bidimensional. Pero la más común es la ascendente ya que los requerimientos de las cámaras en muy simple de resolver, en las otras requieren de un diseño especial. Un desarrollo es sencillo cuando la fase móvil migra una sola vez y es múltiple cuando lo hace dos o más veces en el mismo o en otro sistema eluyente, para ello se deja secar el primero antes de sumergir el papel en el otro sistema, en estos casos se busca que los solventes recorran la misma distancia y se utiliza cuando las distancias entre las manchas no superan 0,5 unidades de separación. 3.3.5 Revelado. Si las sustancias separadas no son coloreadas, no se puede observar en qué sitio quedaron localizadas; para solucionar este problema se usa la operación de revelado. Si se dispone de una lámpara de luz ultravioleta, se observa el trozo de papel cuidando que la luz no llegue directamente a los ojos o se utilizan gafas que los protejan y se resaltan los bordes de las manchas con un lápiz de punta fina. Si la sustancia no es sensible a esta radiación electromagnética, se recurre a otras sustancias como es el caso de los vapores de yodo que trata de ser el agente revelador universal. Se recomienda marcar los bordes de las manchas detectadas con el lápiz ya que con el tiempo los vapores de yodo se van volatilizando desapareciendo la mancha dejada en el papel cromatográfico. Hay otras formas de revelar y es sometiendo a agentes cromóforos más específicos ya sea rociando uniformemente con un atomizador o, si el solvente no afecta la separación, sumergiendo el papel en una cápsula de porcelana que lo contenga. A veces se requiere calentar el papel para favorecer la reacción química teniendo cuidado de no quemarlo. Inmediatamente han aparecido las manchas, por seguridad se resaltan los bordes de las mismas con un lápiz y se registra en el cuaderno de laboratorio los colores presentes ya que la mayoría de las veces desaparecen con el tiempo. Finalmente se calculan los valores de ubicación de cada mancha o Rf. Estos son característicos del sistema cromatográfico y se suelen utilizar para comparar resultados con las mismas sustancias o como criterio de identificación; se derivan del comportamiento de la respectiva isoterma y corresponden al cociente de la distancia recorrida por la mancha sobre la distancia recorrida por el frente del solvente. La figura 17 representa la forma de efectuar la medición de esas distancias. De acuerdo con los valores Rf se analiza si la cromatografía en papel es adecuada para separar los constituyentes de la mezcla problema. Lo será si los componentes se separan lo más posible a lo largo de la fase estacionaria, siendo deseable que esos valores estén comprendidos entre 0,15 y 0,85. Si son muy bajos, del orden de 0,15 se recomienda elegir otro sistema eluyente teniendo en cuenta el grado de polaridad de la

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mezcla y la ubicación del primer eluyente empleado en la serie mixotrópica. Lo mismo cuando se tienen valores superiores a 0,85. Lo ideal es conocer el tipo de comportamiento que presenta la mezcla y sobre esa base, definir el mecanismo de separación más apropiado (reparto o adsorción) y dependiendo de ello las características del sistema eluyente que deben corresponder a ellas para mejorar el proceso de separación, utilidad de la serie mixotrópica: si es reparto recurrir a solventes polares, y si es adsorción a solventes menos hidrofílicos.

Figura 17. Determinación de los valores Rf. Los valores Rf para cada sustancia serán:

RfA = a/c y RfB = b/c El valor Rf es adimensional, por ello la mencionamos atrás como unidades de separación y es característica de cada sistema cromatográfico ya que refleja alguna de las propiedades del componente separado como su peso molecular relativo o su polaridad, por ejemplo, los azúcares migran en una fase estacionaria adecuada (con grupos polares) de acuerdo a su peso molecular, a mayor peso molecular, mayor valor de Rf. En el caso de los aminoácidos, su velocidad de migración depende del carácter polar, polar no cargado o no polar de la cadena del aminoácido facilitando su separación e identificación. 3.4 Aplicaciones. Vamos a discutir dos procedimientos relacionados precisamente con la capacidad de separación de la técnica y la forma de determinación cuantitativa. 3.4.1 Cromatografía preparativa en papel. La cromatografía preparativa en papel permite obtener miligramos de constituyentes de mezclas, utilizando generalmente los desarrollos ascendente o descendente. Algunas

c

b

FRENTE DEL ELUYENTE.

SUSTANCIA A

SUSTANCIA B

APLICACIÓN DE LA MUESTRA

a

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veces las sustancias no se obtienen muy puras, por lo cual se hace necesario repetir el proceso o alternarlo con la cromatografía en columna. El papel empleado en esta técnica es grueso (tipo Whatman 3 MM). En este caso, la aplicación se hace a lo largo de uno o varios papeles cuadrados, en forma de raya o banda continua, con la ayuda de una micropipeta o un aplicador especial, procurando que quede uniforme y angosto. Después del desarrollo se revelan únicamente las extremos, se marcan con lápiz las zonas correspondientes, se cortan, se eluyen con solventes apropiados para recuperar las sustancias luego de evaporar el solvente. 3.4.2 Cromatografía cuantitativa en papel. Para obtener resultados reproducibles en cromatografía cuantitativa es necesario tener en cuenta los siguientes requisitos:

Aplicar volúmenes de la solución problema exactamente medidos, obtener manchas uniformes y reproducibles en la siembre mediante el uso de una micropipeta.

Emplear un sistema de eluyentes que produzcan manchas redondas y sin colas. El reactivo revelador debe emplearse en cantidad suficiente para que reaccione

con la totalidad de los compuestos presentes en la mezcla problema y aplicarse homogéneamente lo que se obtiene más fácilmente empleando la técnica de inmersión que la de aspersión.

Cuando se trate de sustancias que se descomponen por acción de la luz, el papel se debe proteger durante el desarrollo y revelado.

Las determinaciones en cromatografía cuantitativa se realizan midiendo el soluto (si es coloreado) o su derivado, directamente en el papel (in situ) o luego de recuperarlos del papel. 3.4.2.1 Determinación in situ. Si obtenemos manchas bien definidas y redondas, su tamaño e intensidad se puede relacionar con su concentración. La valoración determinando el tamaño de la mancha se puede realizar midiendo el área con un planígrafo obteniendo una exactitud del 2 %, la longitud de la mancha y determinado su logaritmo, por recuento de cuadrados, método que da una exactitud del 5 %. Cuando se utiliza la intensidad de la coloración de las manchas, la valoración se puede efectuar fotométricamente o visualmente; con la primera la exactitud es del 5 % y la segunda se alcanza un 20 %. Para la determinación fotométrica se emplea el densitómetro, que efectúa la medición comparando las manchas de patrones de referencia. En la visual se elabora una serie de manchas de concentración conocida con el patrón y otra con el problema, luego se hacen comparaciones visuales para determinar las concentraciones semejantes.

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3.4.4.2 Determinación por extracción. Los compuestos separados se extraen del papel utilizando el solvente adecuado y técnicas como la extracción con Soxhlet y luego se caloran por espectrofotometría, microtitulación o microgravimetría. 4. Cromatografía en capa delgada. Técnica semejante a la anterior pero con una amplia gama de fases estacionarias. 4.1 Principios. En la cromatografía de capa delgada, las separaciones se deben a procesos como la adsorción, reparto, intercambio iónico y diferencia de tamaño de las moléculas presentes en una muestra problema. Sus principales ventajas sobre la de papel son la rapidez y la sensibilidad, debido a:

La muestra se difunde menos en la capa delgada, permitiendo separar cantidades más pequeñas de muestra.

La localización de los compuestos (revelado) puede realizarse con reactivos más sensibles y que no atacan a la fase estacionaria como es el caso de los ácidos sulfúrico y clorosulfónico que destruyen al papel.

4.2 Equipo. Son semejantes a los de la cromatografía de papel, pero se diferencia en que se tienen más posibilidades con las fases estacionarias y la necesidad de utilizar un soporte inerte para su colocación. 4.2.1 Sorbentes o fase estacionaria. Corresponde a los materiales utilizados para realizar la separación cromatográfica, como adsorbentes, intercambiadores de iones y geles de filtración. Estos ya se encuentran producidos en el comercio, con propiedades bien establecidas, tamaños de partícula uniforme dependiendo si es placa (entre 1 y 25 µm), para columna (100 a 200 µm) y para HPLC o cromatografía de alta presión (entre 5 a 30 µm). Dentro de su composición pueden tener aditivos, definiendo su clasificación con el caso de los G que contiene del 5 al 30 % de yeso o almidón que les da mejor consistencia y resistencia mecánica, indicadores de luz ultravioleta designándoseles con la letra F y un número que indica la longitud de onda de absorción o contener nitrato de plata (del 1 al 15 %) para facilitar la separación de ácidos grasos. Si aparece la letra P, se puede utilizar para cromatografía preparativa. 4.2.1.1 Gel de sílice. Los términos gel de sílice y ácido silícico corresponden al mismo sorbente. Es el más utilizado en cromatografía de placa o capa delgada y en columna. Sus propiedades de porción dependen exclusivamente de los grupos hidroxilo unidos a los átomos de silicio

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superficiales que pueden formar puentes de hidrógeno como las moléculas adsorbidas. Al calentar por encima de 200 ºC pierden esta propiedad debido al cambio a uniones Si – O – Si. Como esta fase tiene la propiedad de perder o recuperar agua, se puede utilizar en cromatografía de adsorción o de reparto ya sea que se active o se trabaje con solventes polares incluyendo agua. 4.2.1.2 Alúmina. El óxido de aluminio o alúmina tiene reacción alcalina, neutra o ácida según el método de obtención que también le define grados de actividad Brokcman como se aprecia en la tabla 45, relacionada con la cantidad de agua adicionada a la alúmina anhidra:

Tabla 45. Actividad del óxido de aluminio.

Nivel de actividad Porcentaje de agua I 0 II 3 III 6 IV 10 V 15

La última es menos inerte que el gel de sílice, puede catalizar la descomposición de algunos compuestos orgánicos como cetonas insaturadas. Sin embargo, en el análisis de alimentos se emplea en la separación de vitaminas liposolubles. 4.2.1.3 Kieselgur o tierra de diatomáceas. El Kieselgur, tierra de diatomáceas o de infusorios está constituido por los caparazones fósiles de algas marinas llamadas diatomáceas. Este sorbente neutro es empleado como soporte para las separaciones por reparto, especialmente de oligosacáridos. 4.2.1.4 Celulosa. Como en la cromatografía en papel, la celulosa utilizada en placas absorbe gran cantidad de agua predominando el reparto en la separación que utiliza este adsorbente. Por lo tanto es muy eficiente en la separación de mezclas hidrofílicas como aminoácidos, azúcares, etc. Se consiguen dos clases de celulosa pulverizada para cromatografía en capa delgada: fibrosa y microcristalina. Se conocen también seis tipos de celulosa modificada: la acetilada para cromatografía en fase invertida y las otras cinco para intercambio de iones usadas en la separación de macromoléculas como proteínas, enzimas y ácidos nucleicos. 4.2.1.5 Poliamida.

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El polvo para cromatografía se obtiene a partir de nailon 66, nailon 11, nailon 6, o perlón o nailon 6 acetilado. Los nombres comerciales son:

Poliamida 66, adipato de polihexametildiamino o nailon 66. Poliamida 11, ácido poliamino undacanoico o anilon 11. Poliamida 6, amino policaprolactama o nailon 6. Poliamida acetilada o derivados acetilados de las tres primeras.

En este sorbente, las separaciones son producidas por diferencias en los enlaces de hidrógeno entre la poliamida y los grupos hidroxilo o carboxilo de los compuestos que se van a separar. La deserción se obtiene alcalinizando o utilizando solventes que también formen puentes de hidrógeno fuertes. La poliamida permite separar fenoles, taninos, flavonoides, ácidos carboxílicos y derivados de aminoácidos. 4.2.1.6 Óxido de magnesio. El óxido de magnesio es un adsorbente para separar compuestos aromáticos y sustancias con varios dobles enlaces conjugados como el caso de los carotenoides. 4.2.1.7 Geles de filtración. Estos sorbentes son geles de dextrano, poliacrilamida o de azarosa, conocidos comercialmente como Sephadex. Con estos geles, las separaciones se producen por diferencias en los tamaños de las moléculas; las más pequeñas se difunden en los poros del gel mientras que las más grandes van migrando con el eluyente. Los anteriores geles de filtración se utilizaron primero en cromatografía en columna para la separación de aminoácidos, oligopéptidos y proteínas. 4.2.1.8 Otros sorbentes. Aunque con menos frecuencia se emplean otros sorbentes tales como el polvo de polietileno, sus ésteres metílicos y la urea en la separación de ácidos grasos. El carbón activado, muy activo, se aplica en la industria azucarera para retener y eliminar sustancias coloreadas y ácidos orgánicos. 4.2.2 Placas. La placa en cromatografía de capa delgada es el conjunto de fase estacionaria o sorbente extendido homogéneamente sobre un soporte inerte ya sea de vidrio, plástico o lámina metálica. Se pueden adquirir comercialmente siendo muy reproducibles o prepararlas en el laboratorio, según las posibilidades. La preparación es muy simple. El sorbente se suspende generalmente el agua, en proporciones requeridas para el análisis. Los soportes, usualmente placas de vidrio deben estar previamente limpios, secos y desengrasados ya que el fraguado de la suspensión una vez extendidos sobre ellas demoran de dos a cuatro minutos para la gel de sílice o la alúmina.

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Una vez preparada la suspensión, se agita manualmente o en licuadora. El Sephadex se agita manualmente luego de dejar un tiempo en agua para favorecer el hinchamiento de las partículas. La extensión sobre los soportes se puede hacer de varias formas:

Si el soporte es un portaobjetos, tan necesarios para la realización de ensayos preliminares, la suspensión se prepara en un frasco cilíndrico de unos 8,5 cm de altura y 4 cm de diámetro (frascos de mermelada o de compota son los ideales), se agita y se sumergen dos portaobjetos unidos por sus caras, se retiran del frasco, se deja evaporar el solvente y se separan cuidadosamente teniendo dos placas listas para el análisis preliminar. Un buen solvente es realizar la suspensión en mezcla de etanol al 96 % y acetato de etilo (1:1) o de cloroformo – metanol (3:1) volumen a volumen y dejando evaporar en sitios ventilados y teniendo los cuidados correspondientes sobre todo el manejo del metanol que puede ocasionar ceguera debido a exposiciones prolongadas.

Otra forma es extendiendo la suspensión utilizando una varilla de vidrio gruesa. Para ello se colocan placas de vidrio de 30 x 30 cm sobre una superficie de madera; encima se fijan las que se van a utilizar como soporte (vidrios de 20 x 20, 10 x 20, 10 x 10 cm etc.) se coloca a la varilla un aditamento que permita controlar el espesor de la película de sorbente, se vierte la suspensión y se distribuye uniformemente con la varilla. Se deja secar el solvente y se separa cuidadosamente cada placa.

El equipo ideal es el aplicador Desaga o Camag el cual permite regular exactamente el espesor de la película de sorbente: 250 µm para cromatografía analítica y de 200 a 500 µm para la cromatografía preparativa.

4.2.3 Eluyentes y reveladores. Se siguen los fundamentos establecidos para la cromatografía en papel y observando el tipo de fenómeno que se busca predomine en la separación conforme a las características de la muestra problema. 4.2.4 Las cámaras. Las más empleadas han sido las de vidrio, ahora se tienen de acero inoxidable y plástico, con diseños para desarrollos ascendente, horizontal y circular. En el desarrollo ascendente se tienen diferentes tamaños: desde recipientes cilíndricos hasta paralelepípedos que albergan placas de 10 x 20 a 20 x 50 cm, ideales para la cromatografía preparativa. Las casas fabricantes de equipo para cromatografía ofrecen varios tipos de cámaras: uno de estos es el que efectúa la técnica sándwich en la cual la placa se protege, durante el desarrollo, con una lámina de vidrio o metal para evitar la preadsorción de la fase estacionaria con el solvente obteniendo resultados más reproducibles. Otro modelo, además de aplicar la técnica anterior, dispone de varios compartimientos, localizados debajo de donde se sitúan las placas y en los cuales se colocan diversos solventes para acondicionar e impregnar las placas antes del ensayo o para ensayar hasta cinco sistemas de eluyentes simultáneamente.

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Para utilizar geles de filtración en esta técnica se requiere de una cámara especial, constituida por dos partes: una plataforma fija horizontal y un marco graduable a diferentes ángulos respecto a la plataforma donde se colocan las placas. 4.3 Procedimientos. Se siguen los mismos pasos ya discutidos en la cromatografía de papel, siendo necesario realizar previamente este y modificar los métodos de aplicación de muestra a la placa: 4.3.1 Activación de las placas. Para separar mezclas lipofílicas, requeriremos activar las placas, es decir, eliminar el agua empleada en su preparación. Dicha activación se realiza calentándolas en una estufa entre 100 y 110 ºC durante media a dos horas, dependiendo del carácter lipofílico del problema. 4.3.2 Concentración y aplicación de la muestra. La mezcla debe tener una concentración entre el 0,01 al 1 %, disuelta en el solvente menos polar posible y fácil de evaporar una vez se haya sembrado sobre la placa. La aplicación de la muestra en la placa conduce a mejores resultados cuando se realiza en forma de banda o raya que cuando se hace en gota o puntual, debido a que las sustancias separadas se pueden desplazar más rápido en sentido horizontal que en el vertical, evitando la formación de colas o estelas que impidan la determinación del número de compuestos. 4.3.3 Elección del sistema eluyente. Se entiende como sistema cromatográfico al conjunto de fase estacionaria o sorbente y a la fase móvil o eluyentes ya que entre ellos se establecen las interacciones con cada uno de los componentes de la mezcla que permiten su separación y purificación, generalmente relacionadas con la acidez – basicidad, reacciones con las fases, establecimiento de uniones con los componentes de la mezcla y otros:

Las mezclas de compuestos lipofílicos se separan mejor en placas de gel de sílice o alúmina activadas, celulosa acetilada, poliamida y solventes no polares o mediante cromatografía en fase reversa.

Las mezclas de carácter iónico se separan en placas de celulosa con intercambiadores de iones.

Mezclas con constituyentes de alto peso molecular se separan y purifican sobre geles de filtración.

El gel de sílice es ácido y algunas alúminas son alcalinas; debe observarse el comportamiento ácido – base de la mezcla para evitar descomposiciones por reacciones indeseadas.

Los fenoles, taninos, enoles, ácido ascórbico, ácidos carboxílicos, se separan idealmente con poliamidas y solventes alcalinos.

Si una mezcla se puede separar con un solo solvente, éste debe ensayarse a partir de mezclas que contengan uno que la haga migrar mucho con otro que la mantenga en el origen de modo que el elegido entre ellas le permita disponer de un valor Rf adecuado para la separación.

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Cuando se desconoce el carácter de la mezcla (lipofílica, hidrofílica, iónica) se realizan ensayos selectivos de sistemas cromatográficos hasta encontrar el que permita la mejor separación, siendo útil comenzar con los menos polares de la serie mixotrópica de eluyentes.

El resto de etapas ya descritas para la cromatografía en papel, tienen utilidad en esta técnica, siendo válido recordar la posibilidad de utilizar reveladores más selectivos, sin que se altere la composición de la fase estacionaria. 5. Cromatografía en columna. Esta técnica tiene la ventaja de poder realizar trabajos de separación y purificación de sustancias con mayores cantidades de muestra, manteniendo casi el mismo consumo de solventes, eficiencia semejante a las dos técnicas anteriores y siendo adecuada para separaciones de tipo preparativo. 5.1 Fundamentos. Las separaciones por esta técnica, similar a la de capa delgada, se deben a varios fenómenos que dependen de la clase de sorbente utilizado y el grado de actividad en que se encuentre: predomina la adsorción cuando la fase estacionaria está activada y seca y de reparto si tiene algún grado de humedad (se ha establecido como límite de los dos fenómenos de 17 a 32 % de contenido en agua en la fase estacionaria). Hay intercambio iónico cuando a través de la zeolita o de otra resina de intercambio iónico adecuada se pasa la solución problema iónica. Cuando se emplea un gel de dextrano de poliacril o de azarosa y la mezcla tiene sustancias de alto peso molecular, tendremos una cromatografía de columna por filtración en gel de afinidad. Para obtener buenos resultados en la separación de los componentes de la mezcla problema utilizando cromatografía de columna, es necesario tener en cuenta:

Capacidad. La relación de la cantidad de muestra a la de adsorbente debe impedir su saturación.

Empaque. La columna se debe empacar con el sorbente seleccionado, del tamaño de partícula adecuado y garantizar su distribución homogénea para que la elusión se haga uniformemente sin pasar por vías falsas o retrasarse por tener zonas muy compactas.

Velocidad. Debe permitir el establecimiento del equilibrio de los componentes de las mezclas entre la fase móvil y la fase estacionaria, pero no tan baja que favorezca la difusión de las bandas.

Resolución. Se relaciona con eficiencia y selectividad; la eficiencia es la capacidad de la columna para separar los componentes de la mezcla en bandas angostas y nítidas, dependiendo del número de platos teóricos logrados, mientras que la selectividad se relaciona con la separación lograda entre dos bandas contiguas.

Los parámetros anteriores determinan el mejor sistema cromatográfico elegido para la separación y purificación de una solución problema.

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5.2 Equipo utilizado. Aquí se estudia la cromatografía de columna clásica, cuyos elementos de trabajo son la columna, el sorbente o fase estacionaria (en algunos casos se transforma en soporte de la fase estacionaria) y el o los eluyentes utilizados para efectuar la separación y purificación. Existe equipo adicional sofisticado como es el sistema colector de fracciones que se utiliza en cromatografía de columna preparativa. 5.2.1 Columnas. Son tubos de vidrio, metal o plástico que se empacan con la fase estacionaria. Se tienen las columnas capilares que en sí mismas son la fase estacionaria. Generalmente tienen accesorios como placas de vidrio sinterizado, llaves para el control del flujo de la fase móvil y embudos de decantación para regular el ingreso del eluyente utilizado en el desarrollo cromatográfico. Sus dimensiones dependen de la cantidad de sorbente a empacar, de la cantidad y características de la mezcla a separar y su diseño debe permitir acomodar un pequeño depósito de solvente en la parte superior y al embudo de decantación que lo provee. Por ningún motivo la columna debe dejarse secar durante el desarrollo ya que se modifican las condiciones de equilibrio en la separación evitando su reproducibilidad. Como la eficiencia de la columna depende del número de platos teóricos, siendo proporcional a su longitud, se recomienda guardar proporciones entre altura – diámetro de 10:1 a 100:1 sin olvidar la capacidad de resistencia que tenga el material (el vidrio aguanta hasta 10 libras por pulgada cuadrada). Cuando se utilizan eluyentes volátiles o sorbentes con partículas muy finas es conveniente aplicar presión en la parte superior de la columna, fundamento de la cromatografía líquida de alta presión (HPLC) que estudiaremos más adelante. 5.2.2 Sorbentes. Los sorbentes empleados en la cromatografía de adsorción y de reparto se pueden utilizar en columna pero sin adhesivos y con un tamaño un poco mayor (10 a 200 µm). Sin embargo se deben observar las recomendaciones ya discutidas sobre la activación del sorbente (eliminar el agua para adsorción o lavar la columna con agua para reparto). Haremos una breve discusión sobre las resinas de intercambio iónico y las de filtración por gel ya que suelen ser las fases estacionarias más empleadas en esta técnica. 5.2.2.1 Resinas de intercambio iónico. Ya habíamos discutido anteriormente su estructura y el mecanismo de separación, lo mismo que la forma de activarlas nuevamente luego se utilizarlas en la separación de algunos iones.

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Las resinas para columna tienen un tamaño mayor que las utilizadas para desarrollos en capa delgada y se utilizan siguiendo las instrucciones del fabricante. Las tablas 46 y 47 muestran las principales características que se deben tener en cuenta para su selección y uso, siendo necesario conocer a fondo la composición de la solución problema para sacar el mejor provecho de la misma, logrando la eficiencia deseada en la separación y purificación de los componentes de la misma.

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Tabla 46. Resinas de intercambio catiónico comerciales.

Capacidad de

intercambio (meq/g) Límites de uso Nombre comercial Macro ión Grupo

activo Forma Porcentaje de

enlaces transversales Seca Húmeda Temperatura pH

Fabricante

Amberlite IR 120 Poliestireno Ácido

sulfónico H+, Na+ 8 5,0 1,9 120 ºC 1 a 14 Rhom y H As (USA)

Amberlite 200 Poliestireno Ácido

sulfónico H+ 4,3 1,75 120 ºC 1 a 14 Rhom y H As (USA)

Amberlite I RC 50

Polímero metacrílico

Ácido carboxílico H+ 2,3 10 3,5 120 ºC 4 a 14 Rhom y H As

(USA) Amberlite CG 120 Poliestireno Ácido

sulfónico Na+ 10 5,0 1,9 120 ºC 1 a 14 Rhom y H As (USA)

Dowex 50 x 8 Poliestireno Ácido

sulfónico H+, Na+ 8 1,9 150 ºC 1 a 14 Dow Chemical I (USA)

Dowex 50 W x 8 Poliestireno Ácido

sulfónico H+ 8 4,8 1,7 150 ºC 1 a 14 Dow Chemical I (USA)

Duolite C 3 Metilén sulfónico H+ 2,9 60 ºC 1 a 9

Diamond Alcali Company (USA)

Duolite CS 101

Polímero alifático

Ácido carboxílico H+ 10,2 100 ºC 6 a 14

Diamond Alcali Company (USA)

Permuit Q Poliestireno Ácido sulfónico H+ 8 4,8 2,0 120 ºC 1 a 14 p. Co.

Zerolit 225 Poliestireno Ácido sulfónico Na+ 1

Zerolit United Water Softeners Ltd (London)

Lewolite CNO

Fenólica condensada Ácido débil H+ 1 4,0 4 ºC 1 a 10

Bayer Farbenfabriken (Alemania)

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Tabla 47. Resinas de intercambio aniónico comerciales.

Capacidad de intercambio (me/g) Límites de uso Nombre

comercial Macro ión Grupo activo Forma Porcentaje de

enlaces transversales Seca Húmeda Temperat

ura pH Fabricante

Amberlite IR A 400

Poliestireno Amonio cuaternario Cl- 8 3,8 1,2 77 ºC 0,1 a 12 Rhom y H As

(USA) Amberlite IR A 401

Poliestireno Amonio cuaternario Cl- 4 4,3 10,0 77 ºC 1 a 12 Rhom y H As

(USA) Amberlite IR 45

Poliamida Base débil OH- 5,0 2,0 100 ºC 0,1 a 9 Rhom y H As (USA)

Dowex 1 x 8 Poliestireno Trimetil bencil amonio Cl- 8 3 a 5 1,3 150 ºC 1 a 14

Dow Chemical I (USA)

Dowex 2 x 8 Poliestireno Dimetil bencil dimetil hidroxietilamonio

Cl- 8 9,0 3,0 60 ºC 1 a 14 Dow Chemical I (USA)

Zerolit E Poli condensada Base débil

Cl- 3 a 5 9,0 3,0 60 ºC 0,1 a 7

Zerolit United Water Softeners Ltd (London)

Zerolit FF Polimerizado Base débil

Cl- 38 1,5 60 ºC 0,1 a 14

Zerolit United Water Softeners Ltd (London)

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5.2.2.2 Sorbentes para filtración por gel. Estas fases se escogen de acuerdo al intervalo de fraccionamiento seleccionado y al peso molecular de los componentes de la solución problema. Para la cromatográfica por filtración en gel, la casa sueca Pharmacie Fine Chemicals, produce los diferentes tipos de fases estacionarias las cuales se escogen de acuerdo con el intervalo de fraccionamiento indicado y con los pesos moleculares de las especies que van a ser fraccionadas. Las tablas 48, 49 y 50 incluyen listas de sorbentes cuyas marcas registradas son Sephadex, Sephacryl y Sepharosa con sus principales propiedades. El Sephadex es un gel preparado de dextrano con enlaces transversales de epiclorhidrina. Debido al gran número de grupos hidroxilo, el gel es extremadamente hidrofílico pero la acilación o alquilación de esos grupos produce Sephadex con características lipofílicas como el Sephadex LH 20.

Tabla 48. Propiedades de diferentes tipos de Sephadex.

Tipo y grado Diámetro de la partícula seca

(mm)

Intervalo de fraccionamiento (peso molecular)

Péptidos y proteínas

globulares

Dextranos Volumen del lecho (mL/g)

Sephadex seco

G – 10 40 – 120 < 700 > 700 2 a 3 G – 15 40 – 120 1500 1500 2,5 a 3,5 G – 25 Grueso Medio Fino Superfino

100 – 300 50 – 150 20 – 80 10 – 40

1000 – 5000 100 – 5000 4,6

G – 50 Grueso Medio Fino Superfino

100 – 300 50 – 150 20 – 80 10 – 40

1500 – 30000 500 – 10000 9 a 11

G – 75 Superfino

40 – 120 10 – 40

30000 – 80000 30000 – 70000 1000 – 50000 12 a 15

G – 100 Superfino

40 – 120 10 – 40

4000 – 150000 4000 – 100000 1000 – 150000 15 a 20

G – 150 Superfino

40 – 120 10 – 40

5000 – 300000 5000 – 150000 1000 – 150000 20 a 30

18 a 22 G – 200 Superfino

40 – 120 10 – 40

5000 – 600000 5000 – 250000 1000 – 200000 30 a 40

20 a 25 La Sepharosa se obtiene al purificar la azarosa. Para la cromatografía de afinidad se emplean geles, obtenidos por la reacción de dextrano o de agarosa con cianuro de bromo. Estos sorbentes se pueden reutilizar si se conservan siguiendo las instrucciones de los fabricantes, sin embargo es posible derivar algunas recomendaciones generales.

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Algunos sorbentes son fácilmente regenerados pudiéndose usarlos nuevamente, como los geles de filtración y los intercambiadores de iones. Otros como el gel de sílice y la alúmina requieren de varios pasos que se realizan si la cantidad por recuperar de la fase estacionaria es grande. Las fases estacionarias de Sephadex, Sephacryl y Sepharosa se pueden limpiar tratándolas con soluciones 0,2 M de hidróxido de sodio y con detergentes no iónicos. La Sepharosa debe exponerse a valores de pH entre 4 y 9.

Tabla 49. Algunos tipos de Sephacryl.

Intervalo de fraccionamiento Tipo y grado

Diámetro de la partícula húmeda

(µm) Proteínas Polisacáridos S – 200 superfino 40 – 105 5*103 – 2,5*105 1*103 – 8*104 S – 300 superfino 40 – 105 1*104 – 7,5*104 1*105 – 7,5*105 La regeneración de una resina de intercambio iónico, también llamada activación, se realiza generalmente en la columna, observando tres parámetros: la concentración de la solución regenerante, el volumen requerido y la rata de flujo. Comúnmente se emplean soluciones 1 N, en cantidades que oscilan entre el 150 y el 500 % de la capacidad de la columna.

Tabla 50. Propiedades de algunos tipos de Sepharosa.

Intervalo de fraccionamiento (peso molecular) Tipo

Concentración aproximada de

agarosa (%)

Diámetro de partícula

húmeda (µm) Proteínas Polisacáridos Sepharosa 2 B 2 60 – 200 7*104 – 40*106 105 – 20*106 Sepharosa 4 B 4 60 – 140 6*104 – 20*106 3*104 – 5*104 Sepharosa 6 B 6 45 – 165 1*104 – 4*106 1*104 – 1*106 En la práctica, la relación de meq de regenerante/meq de resina es alrededor de cuatro para resinas fuertes, ya sean catiónicas o aniónicas, y de dos para las débiles. En seguida se ilustra un ejemplo del cálculo del volumen requerido para activar una resina de intercambio iónico que ha sido utilizada antes. ¿Qué volumen de solución de ácido clorhídrico al 5 % (p/v) se necesita para regenerar 200 mL de resina amberlita IR 120 (húmeda) a su forma H+? Primero se calcula el número de miliequivalentes de ácido clorhídrico requeridos:

200 (36,5)/1000 = 7,3 meq de ácido. Como la capacidad de intercambio teórica de la resina amberlita IR 120 húmeda es de 1,9 meq/mL, y la relación de meq regenerante/meq resina para un intercambiador fuerte es cuatro, el peso de ácido requerido para regenerar la resina es:

7,3 (1,9) 4 = 55,48 g de ácido. Como la solución se encuentra a una concentración del 5 % (p/v), el volumen del ácido será:

55, 46 g (100 mL/5 g) = 1109,6 mL de ácido clorhídrico.

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Para regenerar el gel de sílice se siguen los siguientes pasos:

Mezclarlo con cinco a diez veces su volumen de solución de hidróxido de sodio al 1 % y calentarlo a ebullición por 30 minutos.

Si la mezcla queda alcalina a la fenolftaleína, se lava con agua y se mezcla con tres a seis veces su volumen de solución de ácido acético al 5 %.

Se filtra y se lava con agua destilada hasta reacción neutra. Se activa calentando a 120 ºC por 24 horas.

Para regenerar la alúmina empleada en columnas, conviene remover primero las capas con sustancias fuertemente adsorbidas y luego lavar con solventes polares, como metanol, soluciones diluidas de ácido acético o hidróxido de sodio (de acuerdo con el empleo que se le va a dar) y luego con agua. La alúmina puede quedar coloreada, pero con la activación decolora. Es conveniente recomendar que los frascos que contienen los sorbentes deben conservarse en lugares secos y bien tapados. 5.2.3 Eluyentes. Se debe establecer el poder de elusión del solvente o la mezcla de los mismos teniendo en cuenta los criterios y la serie mixotrópica que se discutió en las cromatografías de papel y placa delgada. 5.3 Procedimiento. Antes de realizar una cromatografía de columna, se recomienda efectuar ensayos en cromatografía en capa delgada para elegir un sistema eficiente y susceptible de poder reproducirlo en columna. 5.3.1 Técnicas de empaque de la columna. En primer lugar se escoge una columna de tamaño apropiado. Si no dispone de una placa de vidrio sinterizado, se puede remplazar por un tapón de lana de vidrio o de algodón no muy apretada. La cantidad de sorbente se relaciona con la cantidad de muestra teniendo en cuenta el proceso de separación según la complejidad de la muestra. Así, en procesos de adsorción a escala preparativa la relación va entre 1:20 y 1:100, para reparto va entre 1:50 y 1:500. Tratándose de mezclas difíciles de separar, se requiere cromatografiar de nuevo, por lo que las relaciones anteriores se multiplican entre 10 y 50. Las separaciones por intercambio iónico requieren relaciones mayores, como en el caso de análisis de tiamina, la proporción es 1:100000. En cuanto al empaque propiamente dicho, en los casos de las cromatografías de adsorción o de reparto, las columnas se pueden empacar con el sorbente seco o mezclado (en forma de papilla) con el primer eluyente a utilizar en la separación. Para empacar las columnas con alúmina, se obtienen mejores resultados cuando se coloca cierta cantidad del primer eluyente a utilizar, se agregan porciones de alúmina, se aplica vibración mecánica (puede ser golpeando la columna con una manguera de caucho) cuidando de mantener por encima de la fase estacionaria un nivel del solvente.

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Para empacar las columnas con gel de sílice, se prepara la papilla y se vierte poco a poco en la columna, dejando sedimentar y agregando eluyente en tal cantidad que su nivel se mantiene por encima de la fase estacionaria. De lo contrario, se formarán falsas vías por donde pasará la muestra sin efectuar el fenómeno de separación cromatográfica. Comercialmente se pueden comprar columnas ya empacadas, que tienen la ventaja de garantizar su distribución homogénea. Para el empaque de las columnas con intercambiadores de iones o geles de filtración, es indispensable que estén húmedos previamente para que las partículas tomen el tamaño adecuado para el análisis. 5.3.2 Aplicación de la muestra. Ésta se aplica en la parte superior de la columna ya empacada, en solución concentrada o mezclada con materiales inertes como Celita. No es conveniente aplicar suspensiones debido a la facilidad con que tapan la columna impidiendo una excelente separación. Debe efectuarse cuidadosamente para evitar turbulencias que perturben la homogeneidad de la superficie de la fase estacionaria, por lo que se recomienda aplicar la muestra con una pipeta en contacto con la pared interna de la columna de modo que escurra por ella. 5.3.3 Elusión. Consideremos en caso de una muestra constituida por compuestos de diferente polaridad como por ejemplo en un vegetal verde su extracto contiene α – caroteno, β – caroteno, xantofilas, clorofilas a y b y queremos separarlos. Encontramos que podemos separarlos por cromatografía de columna de adsorción sobre fases estacionarias de gel de sílice o de alúmina activadas, con solventes relativamente polares. Al iniciar el desarrollo, una vez obtengamos la solución del extracto en la concentración deseada, aplicamos cuidadosamente a la columna ya empacada, empezando con éter de petróleo, un solvente de baja polaridad, que nos permite separar los carotenos, mientras que los otros comienzan a distribuirse en la columna muy lentamente. Una vez recuperados, podemos aumentar la polaridad del eluyente para comenzar a separar las xantofilas y las clorofilas. Esta modificación de la técnica se llama cromatografía por gradiente de elusión. La cromatografía por gradiente de elusión consiste en que al tener un conjunto de compuestos con diferente polaridad, es posible separarlos únicamente con dos solventes, uno polar y otro no polar. Se inicia aplicando el no polar puro hasta lograr cierto grado de separación y luego se va añadiendo solvente polar en pequeñas cantidades, controlando la concentración hasta que finalmente se termina con el solvente polar puro. Se pueden controlar las fracciones separadas y recogerlas una vez eluyen de la columna para su posterior verificación de pureza o para volver a recromatografiarlas hasta obtener la sustancia pura. Este control se puede efectuar con detectores especiales ubicados a la salida de la columna y que controlan equipos automáticos de recolección de fracciones. En la cromatografía por filtración en gel, la elusión se realiza generalmente empleando soluciones buffer o modificando el pH.

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En general, la resolución de las columnas decrece al aumentar la velocidad de flujo, pero también conviene tener en cuenta que un flujo muy lento o la suspensión del mismo puede retener en la columna algunos compuestos impidiendo su separación además de generar problemas de difusión de muestras que impiden separarse después. Por ello, es recomendable mantener las siguientes velocidades de flujo: para cromatografía de adsorción y de reparto mantener 8 mL/hora.cm2. En filtración por gel debe ser de 2 mL/hora.cm2. En intercambio iónico lo ideal es tener un rango entre 0,5 mL/min. a 2,0 mL/min. Sin embargo, la experiencia y el adecuado control del sistema cromatográfico permitirán los mejores resultados en estas técnicas. 5.3.4 Detección de las sustancias separadas. En cromatografía de columna se pueden detectar así:

Directamente en la columna, ya sea porque son coloreados o tienen alguna propiedad que hace fácil detectarlos en ella, por ejemplo pueden exhibir fluorescencia o usando reactivos marcadores.

En las fracciones eluidas, mediante la utilización de agentes reveladores a través de cromatografía de placa.

Utilizando detectores que verifican la variación de una propiedad física o química en el flujo de la fase móvil, relacionada con la presencia de la sustancia separada.

Para la detección y agrupamiento de las fracciones eluidas, se utiliza generalmente la cromatografía en placa delgada. Se aplican muestras de dos fracciones según su orden de salida de la columna sobre placas montadas en portaobjetos, se desarrollan y se revelan: las manchas que tienen los mismos valores de Rf se reúnen en una sola y las que mantienen dos o más manchas se recogen y vuelven y se recromatografían buscando un sistema que mejore la separación entre ellas ya sea en placa preparativa o en columna. 6. Cromatografía de gases. Comenzamos a estudiar las técnicas instrumentales que posee la cromatografía, la cuales aunque mantienen los principios de separación ya analizados en las anteriores técnicas, presentan un mejoramiento sustancial en el manejo mismo de las muestras, su proceso de separación, el control de procedimientos de gradientes ya sea de solventes o de temperatura, que permiten acortar los tiempos requeridos en el desarrollo, posibilidades de combinación del análisis cualitativo y del cuantitativo sobre una misma muestra debido a la facilidad de reproducir las condiciones del análisis. 6.1 Principios. La cromatografía de gases es un de los mejores métodos de separación de mezclas complejas. Esta técnica analítica separa los componentes de esas mezclas en una serie de compuestos puros, que luego pueden ser identificados y cuantificados basados en su comportamiento. Su utilidad en la química de los alimentos es alta al permitir el análisis de vitaminas, grasas, alcoholes, carbohidratos, aromas, etc. La separación de los componentes de la mezcla se desarrolla debido a la diferente distribución entre la fase móvil (gas) y la fase estacionaria mantenida en la columna. Si la fase estacionaria es un sólido, la técnica se llama cromatografía gas – sólido predominando como fenómeno de separación la adsorción selectiva de los

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componentes en esta fase, pero si la fase estacionaria es un líquido adherido como una película al soporte sólido inerte, se llamará cromatografía gas – líquido y el fenómeno de separación predominante es la partición entre la fase líquida y la gaseosa que se desplaza. La cromatografía de mayor aplicación es la de gas – líquido la que estudiaremos en esta parte del material. 6.2 Equipo y condiciones previas. El sistema cromatográfico se encuentra como un equipo o instrumento con una serie de bloques que lo evidenciamos en la figura 18:

Figura 18. Diagrama del equipo de cromatografía de gases. El cromatógrafo utiliza un gas de transporte (fase móvil) que bajo presión mueve una muestra en fase gaseosa desde el inyector, a través de una columna (fase estacionaria) donde ocurre la separación, hasta el detector cuya función es “sentir” la llegada de cada componente y producir una señal eléctrica que se registra y grafica en un registrador en forma de picos. El registrador produce una gráfica llamada cromatograma sobre la cual podremos efectuar el análisis cualitativo porque cada sustancia, representada por un pico tiene una posición que le es característica, la separación entre cada pico presenta un criterio de eficiencia del sistema y también cuantitativo porque el área del pico es proporcional a la cantidad de sustancia presente en la muestra. La figura 19 presenta un cromatograma proveniente de la identificación de ácidos grasos en una fruta colombiana. 6.2.1 Gas de transporte o fase móvil. Tiene la función primordial se conducir la muestra a través del sistema cromatográfico. Generalmente se encuentra almacenado a alta presión en cilindros con un mecanismo para regular la presión y, en esta forma, asegurar una presión uniforme a la entrada de la columna manteniendo un flujo de gas constante, condición óptima para el análisis. A una temperatura dada el gas facilita que los componentes de la mezcla, una vez separados, emerjan de la columna en un tiempo característico, denominado el tiempo de retención.

Figura 19. Cromatograma.

CONTROL DE FLUJO

PUESTO DE INYECCIÓN

COLUMNA DETECTOR

REGISTRADOR

ELECTRÓMETRO

GAS DE TRASPORTE

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Los gases de transporte más utilizados en esta técnica son el helio, hidrógeno y nitrógeno. La consideración más importante para su selección es el tipo de detector utilizado, por ejemplo, un detector de conductividad térmica funciona mejor si se usa helio o hidrógeno o mezclas de los dos, pero pierde eficiencia cuando se emplea como gas de arrastre al nitrógeno. También debe ser inerte, seco y libre de impurezas. La inercia química del gas se debe a que no se puede permitir reacciones secundarias dentro de la columna, el material del equipo y la muestra. Generalmente los gases utilizados cumplen esa condición pero a veces no son secos por lo que es necesario pasarlos a través de un filtro molecular a la salida del cilindro, evitando que en el cromatograma aparezcan picos fantasmas que molesten el análisis, reduciendo el tiempo de uso de la columna y modifique la línea base. La eficiencia de la columna depende de la selección apropiada de la velocidad lineal del gas de transporte. El valor óptimo se escoge experimentalmente haciendo una gráfica de Van Deemter: AEPT en función de la velocidad lineal del gas. La velocidad más eficiente corresponde a la Altura Equivalente del Plato Teórico mínima encontrada durante la evaluación de la columna. 6.2.2 Introducción de la muestra. El segundo bloque del diagrama del cromatógrafo de gases es el inyector o puesto de inyección. En este sitio se permite que la muestra ingrese al sistema cromatográfico, se mezcle con el gas de transporte y pase a la columna. Además, en el puesto de inyección se transforman las muestras no gaseosas en vapores para que puedan ser separadas, entonces la temperatura debe ser variable y controlada. Por lo general, el puesto de inyección es un bloque metálico con calentadores y sensores de temperatura con una septa o sello externo y una conexión a la columna. El puesto de inyección debe reunir como características:

Mantenerse a una temperatura lo suficientemente elevada para permitir la vaporización rápida de los componentes de la muestra.

Poseer una alta velocidad lineal para el gas de transporte que permita trasladar la muestra gaseosa a la columna.

Debe ser de un material adecuado para evitar la interacción con los componentes de la muestra.

Las muestras que se analizan por cromatografía de gases pueden estar en estado gaseoso, líquido o sólido puesto que para cada una de ellas existen los dispositivos adecuados para su introducción al sistema cromatográfico. En una estimación aproximada, el 80 % de las muestras analizadas por esta técnica son líquidas, generalmente soluciones de líquidos o sólidos en el solvente ideal. La técnica más común de introducción al sistema es empleando una micro jeringa, la cual atraviesa el sello o septa del bloque de inyección, la vaporiza pasándola a la columna.

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Las muestras gaseosas se introducen también con micro jeringas cuando son volúmenes pequeños (0,1 mL). Para obtener mejores resultados (mayor reproducibilidad) existen en el mercado varios tipos de válvulas muestreadotas de gases que se conectan al puerto de inyección. La obtención de buenos resultados de análisis depende mucho de la habilidad del analista si no se cuenta con un inyector automático, ya sea para muestras líquidas, sólidas o gaseosas. La razón es simple, puesto que la muestra debe ser introducida limpiamente en la corriente del gas a presiones y temperaturas superiores a las condiciones ambientales y debe llegar a la columna como una banda única, angosta y uniforme. Bandas de inyección estrechas producen picos agudos, los cuales son los deseados para lograr la separación completa de compuestos con tiempos de elusión cercanos. Como una condición para el uso de esta técnica es el de las muestras gaseosas o fáciles de transformar a dicho estados, si la muestra no cumple con esa condición, es posible efectuar modificaciones como:

Recurrir al estudio de productos volátiles formados por acción de alta temperatura en el inyector (pirólisis).

Formación de derivados volátiles térmicamente estables y posterior análisis. Su tamaño depende del tipo de columna empleada como se observa en la

tabla 51. Tamaños inferiores a 1 mL, requiere de modificaciones en el inyector si no es

posible el uso de micro jeringas. 6.2.3 Columnas. La separación en cromatografía de gases se realiza en la columna, por lo tanto es la parte más importante del sistema; aquí estudiaremos materiales de construcción, soportes, fases líquidas y criterios de selección, lo mismo que la forma de evaluación de la misma.

Tabla 51. Relación cantidad de muestra y columna para cromatografía de gases.

Tamaño de la muestra Tipo de columna Gas Líquida Preparativa (1” de 20 % líquido) 0,05 – 5,0 L 0,02 – 2,0 mL

Analítica (¼” de 10 % de líquido) 0,05 – 50,0 mL 0,02 – 20,0 µL

Alta eficiencia (1/8” de 2 % líquido) 0,1 – 1,0 mL 0,04 – 4,0 µL

Capilares (1/16” de 50 % película) 0,1 – 10,0 µL 0,004 – 0,5 µL

6.2.3.1 Tubería. Sirve para contener los materiales que efectúan la separación, por tanto debe ser completamente inerte y no interferir en la separación. La tabla 52 compara los materiales más usados.

Tabla 52. Características de los materiales empleados para columnas.

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Propiedad Acero Vidrio Aluminio Cobre Plástico

Inercia Buena Excelente

Buena, mala bajo ciertas condiciones

Buena, mala bajo ciertas condiciones

Excelente, mala bajo ciertas condiciones.

Resistencia y flexibilidad Excelente Mala Buena Excelente Excelente

Rango de temperatura Excelente Excelente Excelente Excelente Regular

Impermeabilidad Excelente Excelente Excelente Excelente Regular 6.2.3.2 Tamaño: diámetro y longitud de la columna. Para determinar el diámetro adecuado, se debe establecer cuál es el tipo de separación requerida: analítica o preparativa. Las columnas analíticas pueden ser:

Capilares. Tienen 0,25 a 0,50 mm de diámetro interno, se usan para separar mezclas complejas como derivados del petróleo, aceites esenciales y otros. Son las que tienen mejor poder de resolución pero son costosas.

De 1/18 de pulgada. Las más comunes. Columnas de ¼ de pulgada. Se utiliza preferencialmente en el análisis de

gases al requerirse mayores volúmenes en la muestra de análisis. Las columnas preparativas son:

Mayores de ¾ de pulgada. Requieren el diseño de un horno especial que las pueda albergar.

De 3/8 a ¾ de pulgada. Manteniendo condiciones de preparación y uso adecuado, se alcanzan resoluciones semejantes a las obtenidas con columnas de 1/8 a ¾ de pulgada. Sin embargo, cada vez que se dobla el diámetro de la columna, la capacidad de muestra aumenta cuatro veces.

6.2.3.3 Longitud. Se debe escoger la menor longitud que produzca la separación deseada. En la evaluación de la columna se verá que la resolución es proporcional a la raíz cuadrada de la longitud de la columna. 6.2.3.4 Soporte sólido para la fase líquida. El soporte debe ser inerte y no intervenir en el desarrollo cromatográfico ya que su principal función es proporcionar un soporte sólido dentro de la columna para suministrar un área superficial alta sobre la cual se extiende la fase líquida. Sus principales características son:

Alta área superficial por unidad de volumen. Resistir los procedimientos de empaque y recubrimiento. Tamaño de partícula uniforme y preferencialmente esférica. No mayor a 120

mallas. Inerte, no favorece interacciones químicas ni fenómenos de adsorción.

El material más utilizado es proveniente de tierra de diatomáceas o kieselghur cuyo nombre comercial es el Chromosorb, fundamentalmente son dos:

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Chromosorb P. Mezcla calcinada de arcilla con tierra de diatomáceas, tiene color rosado y tolera la mayor cantidad de fase líquida (30%) específico para cromatografía preparativa.

Chromosorb W. Mezcla calcinada de un fundente (carbonato de sodio) con tierra de diatomáceas, su color es blanco, frágil y con características alcalinas ideal para analizar compuestos ácidos.

Si se desea analizar muestras de compuestos polares, ninguno de los anteriores soportes es inerte pero se pueden desactivar para eliminar sitios activos ya sea lavando con ácidos o bases, silanizando o recubrimiento previo antes de aplicar la fase estacionaria. Por ello es recomendable consultar la literatura para determinar las condiciones del análisis de una muestra problema y efectuar los ensayos respectivos para obtener la mejor separación. La determinación del factor de coleo es una medida de la inercia del soporte. Se basa en la comparación del ancho de la base de la segunda mitad del pico con el de la primera mitad, medidos a un 10 % de la altura del pico: a mayor inercia, mayor simetría del pico y mayor valor del factor de coleo. 6.2.3.5 Fase líquida. Su selección requiere experiencia previa puesto que es más empírica que basada en criterios derivados de la teoría. Solamente ha sido posible definir cuáles son los requisitos a cumplir:

Debe ser un buen solvente absoluto y diferencial para los componentes de la mezcla.

No volátil, con una presión de vapor entre 0,01 y 0,1 mm de mercurio a la temperatura de trabajo.

Térmicamente estable. Químicamente inerte hacia los solutos de interés, a la temperatura de la

columna. Depende de la composición de la mezcla.

Para una separación eficiente, la fase líquida debe poseer una estructura química similar a la de los componentes de la muestra. Por ejemplo, una muestra de hidrocarburos se separa mejor en una fase líquida como el Escualario (hidrocarburo de cadena larga), los compuestos polares como los alcoholes lo hacen con una fase como el Hallcomid (una amida). Una vez seleccionada la fase líquida, se debe cuantificar para recubrir al soporte con una película uniforme; demasiada fase forma piscinas entre partículas que disminuyen la eficiencia de la columna. El tiempo de retención es proporcional a los gramos de fase líquida presente, entonces bajos recubrimientos conducen a análisis más rápidos, por ello no se debe pasar del 2 al 10 % de fase líquida respecto al soporte. 6.2.3.6 Preparación de la columna. Para obtener una columna lista para el análisis de una muestra, se requieren cinco pasos:

Adecuación de la tubería: limpieza y enrollado (cuando se trabaja con columna de vidrio).

Preparación de la fase estacionaria: recubrimiento del soporte sólido con la fase líquida.

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Empacado de la columna: garantizar uniformidad y homogeneidad. Enrollado: cuando se trabaja con columnas metálicas. Acondicionamiento: renovación de impurezas volátiles que puede tener el

soporte o la fase líquida estacionaria. 6.2.3.7 Evaluación de la columna. La separación de los constituyentes de una mezcla en la columna, es el resultado de la diferencia en los coeficientes de partición de los distintos componentes entre la fase estacionaria y la fase móvil. La resolución de la columna (R), significa la capacidad que tiene para poder separar un compuesto de otro. Se determina directamente del cromatograma trabajando dos picos adyacentes (llamados 1 y 2), midiendo la distancia entre ellos y luego los anchos de sus bases, aplicando la siguiente fórmula:

R = 2 d/(W1 + W2) Una resolución de 1 es completa, y una de 1,5 equivale al 99,7 %. La eficiencia de la columna se determina según el número de platos teóricos la cual se determina también del cromatograma midiendo la distancia del pico de aire hasta el pico de la sustancia (t’), se mide el ancho de la base de éste pico (W) y se utiliza la siguiente fórmula:

N = 16(t’/W)2 Muchos factores afectan la eficiencia de la columna, la mayoría de los cuales han sido evaluados por su efecto en N o, mejor en la Altura Equivalente de Plato Teórico:

AETP = L/N L es la longitud real de la columna, en cm. Permite comparar columnas de diferente longitud siendo la medida preferida de eficiencia de la columna. La variación de AETP en función del flujo (µ) en mL/min, muestra un mínimo en el cual se logra la mayor eficiencia. Tiene la siguiente expresión matemática, denominada la Ecuación de Van Deemter:

AETP = A + (B/µ) + Cµ El término A describe las variaciones de velocidad del gas en el empaque poroso (caminos múltiples). Al tener diferentes longitudes, las moléculas del soluto tienen diferentes tiempos de permanencia dentro de la columna, llevando al ensanchamiento de los picos. El término B, corresponde a la difusión en la fase gaseosa; disminuye cuando aumenta la velocidad del gas de arrastre o también si se incrementa su densidad (empleo de nitrógeno). El término C determina la resistencia a la transferencia de masa gas → líquido → gas. Depende de la cantidad de fase líquida en el soporte sólido o fase inerte. Para disminuirlo se requiere una película muy delgada y uniforme de la fase líquida y ojalá de baja viscosidad.

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El flujo del gas de arrastre debe ser muy bajo y los coeficientes de distribución de las sustancias a separar entre la fase estacionaria y la fase móvil muy altos para favorecer el equilibrio que gobierna el fundamente de la separación analítica en esta técnica instrumental, como lo podemos encontrar en la tabla 53. 6.2.4 Temperatura de la columna. Se puede trabajar de dos formas, a temperatura constante o isotérmica y con temperatura programada o por gradiente de temperatura.

Tabla 53. Relación entre N y la eficiencia en Cromatografía de Gases.

N Eficiencia Más de 500 platos/pie Excelente

300 – 500 Buena 200 – 300 Regular

Menor de 100 Por revisar

Operación isotérmica. La temperatura de trabajo se escoge teniendo en cuenta el promedio de los puntos de ebullición de los componentes de la muestra. Sin embargo, cuando se trabaja con columnas de alto porcentaje de fase líquida o la fase presenta alta afinidad por los componentes (tiempos de retención elevados) es necesario trabajar temperaturas más altas. En la mayoría de los casos, la temperatura de la columna se escoge de tal forma que se obtenga buena resolución en un tiempo de análisis corto. Como criterio de trabajo, cara aumento de 30 ºC disminuye a la mitad el tiempo de retención.

Programación de temperatura. Es un procedimiento que permite efectuar un cambio controlado de la temperatura de la columna durante el análisis. Se utiliza cuando los componentes de la muestra tienen componentes que varían en un amplio rango de puntos de ebullición o tienen tiempos de retención muy grandes. Esta técnica reduce el tiempo de análisis y permite obtener picos simétricos para todos los componentes.

6.2.5 El detector. Permite registrar el cambio ocurrido en la homogeneidad de la fase gaseosa cuando se ha separado un determinado componentes al transformarlo en una señal eléctrica que luego es graficada en el registrador o transformada en cantidades mediante integradores electrónicos. Este elemento del cromatógrafo de gases debe tener como características:

Sensibilidad al cambio de composición de la fase gaseosa. Bajo nivel de ruido, es decir, que logre detectar pequeñas cantidades de

componentes equivalentes al doble de la máxima variación del ruido electrónico generado por los circuitos electrónicos propios del elemento.

Rango lineal. Su respuesta debe ser la misma ya sea para grandes cantidades de componente como para las mínimas detectables; es decir, mantenga la proporcionalidad en su respuesta.

Respuesta. Capaz de detectar los diferentes componentes de la mezcla. 6.2.5.1 Detector de conductividad térmica (DCT). Es un filamento calentado eléctricamente (termistor) pero cuya resistencia varía al encontrar sustancias diferentes en la fase gaseosa a la salida de la columna.

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Comprende dos elementos, uno de referencia que monitorea la conductividad térmica del sólo gas de transporte y el otro que controla el gas que sale de la columna, trabajando a la misma temperatura, al ocurrir variaciones en la composición de los gases, se modifica la resistividad de uno de ellos que vuelve a ser compensada aumentando el paso de corriente el cual es medido y registrado por el detector como una señal de voltaje. 6.2.5.2 Detector de ionización por llama (DILL). Esta unidad mide la corriente generada cuando un material combustible en el gas de transporte entra en una llama de hidrógeno – aire. Un potencial de corriente continua se aplica a la llama mediante electrodos capaces de detectar las especies ionizadas en la llama generando una corriente proporcional a la cantidad de sustancia. La sensibilidad de este detector es tan alta que permite detectar de 0,1 a 10 ng. Tiene algunas limitaciones en su uso en sustancias orgánicas donde su sensibilidad disminuye en la escala: CH2 > CH2 – OH > C=O y definitivamente no se puede emplear en el análisis de CS2, NH3, SO2, N2, O2, H2, H2O, CO, CO2 y óxidos de nitrógeno, debido a la facilidad de reacción que tienen estas sustancias a la temperatura de trabajo del detector. 6.2.5.3 Detector de captura de electrones (DCE). Es un elemento muy selectivo ya que su señal es generada solamente cuando un componente es capaz de capturar electrones de un flujo permanente de ellos dentro de una celda. El flujo se obtiene de una fuente radiactiva (tritio o Ni63) en una hoja metálica unida a uno de los dos electrodos creando una corriente permanente de 10- 9 amperios. Cuando un compuesto que captura electrones entra en el campo, la cantidad que puede ser colectada en menor modificando la corriente, la cual es amplificada y registrada como un pico. Es muy sensible a haluros de alquilo, carbonilos conjugados, nitritos, nitratos. No lo es a hidrocarburos, alcoholes, cetonas y otros. 6.2.6 Registrador. El último elemento del cromatógrafo de gases; aquí las señales del detector son registradas como un pico o también como un dato numérico, que permite ser utilizado en el análisis cuantitativo y cuantitativo de las sustancias puras separadas. 6.3 Metodología. En cromatografía de gases existe una característica para definir el compuesto, el tiempo de retención. Aún así, las condiciones deber ser estandarizadas para que este valor tenga significado. Si se considera el intervalo de tiempo transcurrido desde el momento en que se inyecta la muestra y su aparición como un pico, parte del intervalo se debe al tiempo que se gasta en el recorrido del sistema cromatográfico, éste varía entre instrumentos y no se incluye en la medida, es lo que se denomina tiempo muerto (tm) y corresponde al tiempo de retención del soluto no retenido (aire o solvente de la muestra, también denominado ta). No es posible determinar un tiempo de retención absoluto ya que depende de variables del equipo como la temperatura de la columna, clase de fase líquida y porcentaje de recubrimiento, velocidad del gas de transporte y cantidad de fase estacionaria, por lo que prefiere determinarse un tiempo de retención relativo al compararlo con el tiempo de un estándar ya sea que se encuentre dentro de la misma

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muestra o haya sido añadido a propósito, lo importante es que registre un buen cromatograma en cercanías de los compuestos de interés. Para comparar resultados por esta técnica entre laboratorios, se deben reportar las sustancias de referencia que deben ser las mismas. Kovats, desarrolló un concepto de índice de retención que evita ese problema al seleccionar como material de referencia a parafinas normales. Por definición, el índice de retención para una parafina es 100 veces el número de átomos de carbono; para el hexano será de 600. El índice de retención para una sustancia desconocida se calcula mediante la expresión: Siendo: log αX el valor del logaritmo de la retención del compuesto X, relacionado con el estándar de parafina de Z número pares de carbonos. log α(PZ + 2) el valor del logaritmo de la retención relativa de la parafina normal de Z número par de átomos de carbono. El valor del índice de retención es característico de una sustancia en una determinada fase líquida a una cierta temperatura; los mejores resultados se reproducibilidad están limitados a trabajos en columnas con temperatura isotérmica o con programación lineal de temperatura a velocidades de 1 º a 2 ºC por minuto. 6.3.1 Análisis cualitativo. Los caminos para identificar un compuesto por cromatografía de gases pueden ser:

Utilización del tiempo de retención absoluto. Se determina el tiempo de retención del compuesto desconocido y se compara con el tiempo de retención de sustancias patrón. Tiene los inconvenientes ya discutidos.

Utilización de tiempos de retención relativos de índices de retención. Una vez determinados estos parámetros, se comparan con los valores reportados en la literatura (si existen en las mismas condiciones) o con los determinados previamente para sustancias conocidas, los cuales se sospecha sean componentes de la mezcla desconocida. Sin embargo la coincidencia no es suficiente para establecer la identidad del compuesto; por ello se busca coincidencias en valores cuando se cambia polaridades de la fase estacionaria, primero corriendo en una no polar y luego desarrollando en una polar.

Adición del compuesto que se sospecha está presente. Útil cuando el pico se encuentra resuelto de otro cercano. Se corre el cromatograma con la muestra, luego se adiciona el probable componente y nuevamente se desarrolla, si aparece uno nuevo, se descarta pero si se mantienen y uno de ellos ha aumentado su tamaño, se incrementa la probabilidad de que sea la misma sustancia. Para confirmar se recurre a cromatografiar con columnas de diferente polaridad.

Acople a otras técnicas ya sean clásicas de identificación como el aislamiento del componente, utilizar otras técnicas instrumentales como infrarrojo, ultravioleta, resonancia magnética nuclear o espectroscopia de masas o formar derivados a los que se les determina sus propiedades fisicoquímicas.

log αX + 100 Z I = log α(PZ + 2)

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6.3.2 Análisis cuantitativo. Los resultados de un análisis por cromatografía de gases se obtienen a partir del registro gráfico o cromatograma en el cual el número de picos trazados da información acerca del número de constituyentes de la muestra y el área bajo cada pico o su altura sirve para la evaluación cuantitativa de cada componente, haciendo las correcciones necesarias debido a la selectividad del detector. Antes de seleccionar el método de análisis cuantitativo más adecuado se debe escoger la técnica de medida de los picos: altura o áreas. Aunque más adelante discutimos cuatro técnicas que tienen la ventaja de reducir errores y hacer más reproducibles los resultados. 6.3.2.1 Altura del pico. La medida de la altura del pico es la más fácil de las dos técnicas. La altura del psico es la distancia desde la línea base hasta su vértice, generalmente expresada en milímetros; es la ideal cuando se tienen picos simétricos y agudos. 6.3.2.2 Área del pico. El área del pico no depende de las condiciones de operación como ocurre con la anterior. Existen varias formas de medirla: planimetría, altura por el ancho a media altura, triangulación, cortado y pesado del papel, integrador de disco, integrador electrónico entre otros. Debido a que muchas veces los equipos disponibles producen registro gráfico, se suelen utilizar las técnicas manuales:

Altura por el ancho a media altura. Un pico puede asimilarse a un triángulo y su área se determina multiplicando la altura del pico por el ancho a media altura. Adecuada para picos simétricos que tengan una anchura razonable.

Triangulación. Se trazan las tangentes a los lados de cada pico prolongándose por arriba de él y cortando la línea base formando el triángulo correspondiente, se mide la altura y la base y se calcula mediante la ecuación del área del triángulo A = (½ base) altura. Los picos deben ser semejantes a la campana de Gauss.

Cortado y pesada del papel. Las áreas de los picos son determinadas por el cortado del pico cromatográfico y pesada en la balanza analítica. Este método es lento, destruye el cromatograma y requiere destreza para cortar además de la homogeneidad del papel. Útil cuando los picos no son simétricos.

6.3.2.3 Normalización. Comprende el cálculo de la composición porcentual de las áreas:

% A = (Área de A/ Σáreas) 100 Este método puede usarse para calcular porcentaje en peso cuando se analizan componentes de una serie homóloga con puntos de ebullición cercanos. Se asume que todos los picos se han detectados y que cada componente tiene la misma respuesta en el detector. 6.3.2.4 Factores de corrección.

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Las áreas de los compuestos no son directamente proporcionales a la composición porcentual debido a que cada sustancia tiene una respuesta diferente en el detector, entonces es necesario determinar factores de corrección. Una vez determinados se utilizan en la evaluación de la composición porcentual; son típicos de cada detector. Se prepara una solución con patrones de las sustancias desconocidas, se corre el cromatograma, determina el área y se calcula la relación área/unidad de peso para cada componente. Se selecciona uno de ellos como referencia y su factor de corrección se toma como la unidad, luego se calcula los porcentajes relativos de cada uno de los demás componentes. La tabla 54 ilustra esta técnica:

Tabla 54. Forma de calcular los factores de corrección en Cromatografía de Gases.

Pico Área Porcentaje en peso Área/peso Factor de

corrección 1 2172 20,5 106,0 1,12 2 2516 26,6 94,6 1,00 3 1237 17,0 72,8 0,77 4 3488 35,9 97,2 1,03

De estos resultados se puede determinar el porcentaje en peso del componente tres en una muestra desconocida si: Siendo: W3 Peso desconocido del componente tres. W2 Peso del estándar dos. A2 Área medida del estándar dos. A3 Área medida del componente tres. F3 Factor de corrección del compuesto tres. 6.3.2.5 Calibración absoluta. Se preparan soluciones de cantidades conocidas de los compuestos y se analizan por cromatografía de gases. El valor del área (o de la altura) correspondiente a los picos, se grafica contra el peso de muestra inyectada. Un peso exacto de la muestra desconocida se inyecta y su área se compara con la de los patrones. Los resultados se relacionan mediante una gráfica (Área del pico en función del porcentaje de componente, que debe ser una recta ajustada) o a través de la siguiente expresión matemática: La calibración absoluta presenta algunas desventajas como son: se debe conocer la cantidad exacta de muestra inyectada, la sensibilidad del detector y todos los

W2 A3 W3 = F3 A2

Porcentaje de patrón B % B = (Área de B) K y K = Área del patrón B

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parámetros de operación deben permanecer constantes para poder comparar los resultados con los de la gráfica de calibración. 6.3.2.6 Calibración relativa o estandarización interna. Muestras de composición conocida del componente problema que se va a determinar y de un estándar interno se preparan y analizan por cromatografía de gases. Se miden sus áreas y se construye una gráfica de relación de áreas (área del componente/área del estándar) contra la relación de pesos, la cual también debe ser una recta ajustada. Ésta corresponde a la curva de calibración. Se añade a la muestra problema una cantidad conocida del estándar interno y se analiza por cromatografía de gases, luego se mide la relación de áreas que se compara con la gráfica de calibración para establecer la relación de pesos; como conocemos la cantidad de estándar, se puede determinar la cantidad del componente presente en el problema. Este método no requiere conocer la respuesta del detector, la cantidad exacta de muestra inyectada, ni que se mantenga constante ya que cualquier cambio no afecta la relación de áreas. Sin embargo, presenta como desventaja la selección del patrón interno, el cual debe cumplir con los siguientes requerimientos:

Debe resolverse muy bien de los otros picos. Debe eluir cerca de los compuestos de interés. Debe ser de concentración similar a la del compuesto de interés. Debe tener una estructura química semejante a la del componente en estudio.

7. Cromatografía líquida de alta eficiencia o HPLC81. Otra de las técnicas instrumentales de la cromatografía que comienza a tener aplicaciones en el estudio de los alimentos. Como en el caso anterior, vamos a efectuar un estudio teórico sobre los fundamentos y procedimientos para que tenga una idea de cómo se puede emplear y si eventualmente va a trabajar en procesos de investigación, disponga de unos referentes que le ayudarán en su desempeño con este tipo de técnicas. Sin embargo, sería necesario que tomara un curso de profundización en el tema incluyendo la posibilidad de utilizar el equipo. 7.1 Fundamentos. Es una técnica analítica instrumental muy versátil, cuyo proceso de separación se debe a fenómenos de transferencia de masa entre los solutos contenidos en una fase líquida móvil y una estacionaria empacada dentro de una columna cromatográfica. Los analitos por separar se encuentran disueltos, se inyectan a una fase líquida que luego es forzada a pasar mediante alta presión a través de la columna cromatográfica; la resolución alcanzada en la separación depende de la intensidad de la interacción de los solutos con la fase estacionaria. Seleccionado la combinación adecuada de fase móvil y fase estacionaria es posible lograr la separación, identificación y cuantificación de una gran variedad de mezclas de compuestos.

81 En español se está implementando la expresión CLAR: Cromatografía Líquida de Alto Rendimiento.

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Como en la cromatografía de gases, es posible efectuar el proceso de separación teniendo en cuenta fenómenos como la adsorción, el intercambio iónico y el tamaño de la moléculas de los analitos presentes en el problema; la elección de estos fenómenos depende de la combinación de fase estacionaria y fase móvil, que como en el caso de la cromatografía de intercambio iónico, factores como la fuerza iónica y el pH del sistema permitirán la separación deseada de la muestra. El desarrollo de la cromatografía puede ser isocrático o por gradiente, en la primera técnica se mantiene constante la composición de la fase móvil, mientras que en la segunda ésta va cambiando, facilitando la separación al minimizar los tiempos requeridos. La HPLC tiene como ventajas sobre otras técnicas analíticas las siguientes:

Las columnas son en acero inoxidable, reutilizables y con diámetros entre 2 y 5 mm.

Hay una amplia variedad de sustancias para utilizar como fases estacionarias y con diámetros de partículas de 3, 5 y 10 mm.

Mecanismos eficientes para el trabajo a alta presión y fácil control de flujo. Sistemas muy precisos de inyección de muestra que permiten el trabajo con

tamaños relativamente pequeños. Detectores de flujo que pueden trabajar a bajas condiciones de velocidad de

flujo y mantener sensibilidades altas. Instrumentos estándares automatizados. Análisis muy rápidos. Alta resolución.

La resolución de esta técnica no depende exclusivamente de la presión de trabajo como se podría pensar debido al nombre que posee, ésta depende del rango de distribución del tamaño de la partícula, tamaño uniforme del poro, técnicas de empacado de la columna, capacidad del inyector, mantenimiento de la sensibilidad de detección ante variaciones de la velocidad de flujo de la fase estacionaria y la calidad del sistema de bombeo. 7.2 Instrumental o equipo de HPLC. Comprende la bomba, inyector, columna, detector y sistema de registro. La figura 20 presenta un diagrama de relación de cada una de las partes del instrumental requerido en esta técnica.

Figura 20. Esquema del equipo de HPLC.

RECIPIENTE Y BOMBA

DESGACIFICADORA BOMBA IMPULSORA DE LA FASE MÓVIL

COLU

MNA

INYECTOR

DETECTOR

REGISTRADOR GRÁFICO

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El recipiente de almacenamiento de la fase móvil es un frasco de vidrio con un sistema de purga de gases utilizando helio o al vacío y un sistema de filtración que garantiza la pureza del solvente. Su almacenamiento se hace bajo atmósfera de helio, evitando interferencias de los gases en la eficiencia de la columna y del detector. La bomba es un elemento importante en el sistema HPLC pues garantiza la eficiencia de la separación y el correcto funcionamiento de la columna, el detector y la obtención de cromatogramas reproducibles. Se requiere que mantenga una buena capacidad de flujo, evitar pulsaciones y ser controlable fácilmente por medios electrónicos, los parámetros que debe cumplir son: un rango de velocidad de flujo de 0,01 a 10 mL/min, un flujo con variaciones máximo del 1 %, pulsaciones por cambios de presión del 0,2 %, una presión de máximo 5000 psi y con sistema de desgasificado y manejo de atmósferas de helio. Son de dos tipos de presión constante que producen los mejores registros sólo que es afectada por la temperatura y la viscosidad de la fase móvil y el otro es la de flujo constante. La columna es metálica, con tamaños de 10, 15 y 25 cm de longitud y diámetros internos de 4,0 a 4,6 mm capaces de albergar tamaños de partículas de 3, 5 o 10 mm. Al ser el elemento esencial de la cromatografía HPLC, el empaque y homogenización de las mismas requiere de un equipo especial por lo que se suelen comprar ya empacadas. Su duración depende de las condiciones del análisis, siendo factible su reutilización. Los detectores por lo general son ópticos, detectando las variaciones de propiedades como el índice de refracción, absorción o emisión de energía radiante monocromática, cambios electroquímicos o variación de la masa: el rayo de luz incidente pasa por un volumen del eluido de la columna siendo registrado como una señal electrónica por el detector que puede ser de índice de refracción (el más común), fluorescencia, electroquímico o de espectroscopia de masas el más sofisticado. Las señales electrónicas producidas en el detector se pueden transformar en datos digitales fácilmente almacenables en bases de datos o utilizados en integradores electrónicos que reportan las áreas bajo la curva del pico cromatográfico reportando resultados como se discutió en la técnica de la cromatografía de gases. 7.3 Metodología. La preparación de la muestra para el análisis es semejante a la de cromatografía de gases, es decir, se debe disolver en un solvente adecuado y tener las características de una solución verdadera. Su interacción con la fase móvil sigue el mismo comportamiento de dicha cromatografía sólo que ya no se evapora sino que se debe distribuir en el seno de dicha fase conforme a la propiedad fisicoquímica que gobierne la separación: adsorción, reparto, intercambio iónico o distribución en gel ya que se pueden utilizar esas fases estacionarias. Se puede generar un conjunto de criterios para seleccionar cualquiera de las dos técnicas, pero es necesario conocer muy bien el sistema por separar; si se puede aplicar la cromatografía de gases, excelente debido a su rapidez y simplicidad instrumental. Si la muestra está compuesta por sustancias no volátiles, está conformada por iones inorgánicos o por materiales térmicamente inestables, la HPLC es la más indicada. No obstante, a veces suele ser complementarias la una de la otra para un determinado análisis. La tabla 55 presenta las ventajas y desventajas de estas dos técnicas que pueden ayudar a tomar una decisión sobre cuál de ellas utilizar mejor.

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Tabla 55. Comparación entre las cromatografías de gases y HPLC.

Características para ambas técnicas Eficiente, selectivas y de gran campo de aplicación. Requieren de muestras pequeñas. Por lo general, no destruyen la muestra. Se adaptan fácil al análisis cuantitativo.

Ventajas de la técnica de HPLC Procesa muestras no volátiles, inestables a alta temperatura y a iones inorgánicos.

Ventajas de la cromatografía de gases Equipo muy sencillo y más económico. Rápida.

ACTIVIDAD DE APENDIZAJE 11

1. Al frente de cada muestra, escriba el nombre de los métodos que utilizaría para separar los constituyentes de las siguientes mezclas:

a) Mezcla de agua y sal. b) Mezcla de aceite vegetal y torta de donde se ha obtenido. c) Mezcla de etanol y agua. d) Hidrolizado de lípidos vegetales para obtener ácidos grasos. e) Aceite esencial a partir de la corteza de naranja.

2. Complete el siguiente cuadro:

Método Aplicaciones Limitaciones Sedimentación Decantación Precipitación Filtración

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Extracción Cristalización Destilación Destilación simple Destilación fraccionada Cromatografía

3. Complete el siguiente cuadro:

Clase de cromatografía Fundamento De adsorción De reparto De intercambio iónico Por filtración por gel Cromatografía de gases HPLC

4. Una fruta contiene los azúcares: sacarosa, fructosa y glucosa. Diseñe el procedimiento que efectuaría para lograr su separación mediante cromatografía de papel.

5. Calcule los valores Rf para el siguiente cromatograma. ¿Qué sustancias podríamos decir que contiene la muestra problema (identificada como 1 y 8 en el cromatograma)?

6. Suponga que usted debe identificar y separar las vitaminas A y D presentes en una margarina. Elabore un diagrama de flujo indicando el procedimiento que seguiría para resolver el problema utilizando la cromatografía de capa delgada tanto analítica como preparativa.

FRENTE DEL SOLVENTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . ● ● ● ● ● ● ● ● 1 2 3 4 5 6 7 8

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7. Al frente de cada una de las siguientes mezclas escriba el tipo de adsorbente

que utilizaría para separarlas utilizando cromatografía de capa delgada. Indique también el principal fenómeno que emplearía para lograr esa separación.

Mezcla Sorbente Principio de separación Azúcares Ácidos carboxílicos Carotenoides Vitaminas a y D Proteínas

8. Construya un cuadro comparativo entre las técnicas de cromatografía de papel, cromatografía de capa delgada, cromatografía de columna, cromatografía de gases y HPLC destacando principio, equipo, preparación de la muestra, resultados esperados, ventajas y desventajas.

9. Mediante un diagrama de flujo, ilustre el procedimiento que seguiría para

separar, purificar y analizar los componentes que presenta un alimento en azúcares y en lípidos, mediante cromatografía de gases. Se sugiere consultar la literatura o por Internet.

10. Calcule la concentración hallada en la separación de una sustancia hipotética

mediante cromatografía de gases, utilizando la técnica de normalización a partir de los siguientes datos:

Sustancia Base (mm) Altura (mm)

1 215 4131 2 18 4321 3 136 3217 4 52 2179 5 229 5203

11. Calcule la concentración de las anteriores sustancias utilizando el método de

factores de corrección tomando como estándar el pico de la sustancia tres.

Sustancia Área (mm2) Porcentaje en peso 1 4327 12,17 2 1345 3,78

3 (estándar) 6789 19,09 4 9236 25,97 5 4538 12,76 6 9325 26,22

12. En un análisis cromatográfico se obtuvieron los siguientes resultados:

Compuestos Tiempo de retención (mm) Ancho del pico en la base (mm)

o – xileno 26,50 7,90 m – xileno 21,25 6,25 p – xileno 19,75 6,00

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Si la altura equivalente de un plato teórico (AEPT) fue de 1,11 mm, ¿cuál era la longitud de la columna, en mm?

13. En un análisis cromatográfico se obtuvieron los siguientes resultados:

Pico Tiempo de retención (mm) Ancho del pico en la base (mm)

A 19,0 5,5 B 24,0 8,0

Calcule la resolución de los picos, escriba las conclusiones encontradas con base en el resultado hallado.

14. En el análisis por cromatografía de gases de una muestra tomada de una botella marcada Decalina, se obtuvieron dos picos, A y B, con tiempos de retención de 52,0 y 57,6 mm respectivamente. Bajo las mismas condiciones de análisis, el tiempo de retención de n – decano, usado como estándar, fue de 25,5 mm y el tiempo de retención del aire fue de 1,5 mm. Dado que el tiempo de retención relativo al n – decano de la trans – decalina es de 2,1 ¿cuál de los dos componentes se identificó como trans – decalina?

15. Calcule el índice de Kovats para una sustancia S, cuyo tiempo de retención es

de 74 mm, si en la misma columna y bajo las mismas condiciones, los tiempos de retención para el n – octano y el n – decano son de 45,0 y de 111,0 mm respectivamente.

16. Consulte en la literatura o por Internet, qué análisis de componentes

específicos de los alimentos puede realizar utilizando la cromatografía de HPLC. Seleccione una de las técnicas y describa las condiciones de análisis que debe tenerse en cuenta para la realización de la técnica. Puede utilizar diagramas de flujo o mapa conceptuales.

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ACTIVIDADES DE LABORATORIO En este último evento del curso metodológico, tendrá la oportunidad de conocer, manipular, obtener resultados y elaborar los informes correspondientes de dos técnicas analíticas instrumentales de uso corriente en el laboratorio de control de calidad de los alimentos como es la pH – metría, la espectrofotometría y una introducción a la cromatografía de columna ya que por condiciones particulares en la institución, no es posible todavía la implementación de la cromatografía de gases ni mucho menos la de HPLC; sin embargo, con los referentes teóricos discutidos en la unidad, es posible que con un curso de profundización y la oportunidad de trabajar con los equipos pueda asimilar los fundamentos teóricos y procedimentales para el uso de esas técnicas. Es importante que para la realización de las prácticas mencionadas haga un ejercicio preparatorio mediante el pre – informe, ubique las muestras que desea analizar según sus intereses, disponga de algunos elementos del laboratorio que posiblemente no los va a disponer y que el instructor le comentará a su debido tiempo, sea cuidadoso en la observancia de las normas de seguridad y de manejo de los reactivos correspondientes para que la experiencia de aprendizaje realmente sea significativa. El (la) tutor (a) que está asesorando el curso, les establecerá claramente las condiciones de entrega del informe, las etapas previas de preparación de la sesión de laboratorio y la forma de evaluación de las mismas, conforme a los lineamientos institucionales y el Reglamento Estudiantil. Como en los casos anteriores, el éxito del trabajo académico depende del compromiso, dedicación, esfuerzo e intereses del estudiante; la universidad, el tutor, el auxiliara de laboratorio son simplemente apoyos para que pueda aprender.

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DETERMINACIÓN DEL pH DE UNA MUESTRA Se conoce el origen del pH, su significado en un alimento, los principios fundamentales de la potenciometría y del equipo utilizado. La mayoría de pH – metros tienen las características del mostrado en la figura 20 y que debe constatar cuando trabaje con uno de ellos.

Figura 20. Esquema de la pantalla de control de un pH – metro. La función que tiene cada parte del equipo es la siguiente:

8 24

FUNKTION mV/pH ∆pH

ºC

pH – meter

1 2

3

45

6

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1 Indicador de encendido. Permite conocer si el aparato está conectado a la red

de energía eléctrica y se encuentra estabilizado. El testigo estará luminoso cuando el botón de encendido se encuentre en la posición ON.

2 Pantalla de lectura. Suministra el valor de la medida que se ha realizado con el equipo. Por lo general da dos tipos de lectura: en unidades de pH y en milivoltios cuando se está determinando una F.E.M.

3 Compensador manual de temperatura. Este botón permite seleccionar la temperatura en que se quiere realizar la medición de pH o de la F.E.M., con el fin de asegurar su reproducibilidad.

4 Botón para ajuste del p H neutro. Permite calibrar este valor en la escala de pH. 5 Botón para ajuste de la pendiente. Interviene en la calibración de la escala de

pH, especialmente para asegurar la reproducibilidad de la medida que se va a realizar con la muestra.

6 Botón para seleccionar las funciones. Permite establecer el rango de medición del equipo ya sea en unidades de pH (pH – metro) o en milivoltios (potenciómetro).

En el procedimiento se revisará el uso de cada uno de los anteriores elementos del pH – metro. 1. Procedimiento. 1.1 Calibración del pH – metro. Conectar el aparato. Algunos de ellos necesitan estar enchufados algunos minutos antes de ser utilizados ya que requieren estabilizar sus circuitos. No olvidar que los electrodos deben estar ya conectados al equipo antes de encenderlo. Mientras se estabiliza el equipo, disponer de tres vasos de precipitados de 100 mL muy limpios y secos: en el primero colocar unos 50 mL de la solución buffer estándar de pH = 7,0, en el segundo 50 mL de la solución buffer de pH = 4,0 y en el tercero disponer la muestra en jugo o en puré previamente preparado. Regresar al pH – metro, seleccionar en el botón 3 el valor de la temperatura que tengan las soluciones buffer y la muestra. Quite la cubierta del electrodo, lávelo con agua destilada utilizando un frasco lavador y recogiendo las aguas de lavado en un vaso de precipitados. Seque el electrodo con un trozo de papel de filtro. Sumerja el electrodo en la solución buffer de pH = 7,0. Con el botón 6 en la posición de pH espere hasta que estabilice la lectura en la pantalla en ese valor, si no lo hace, con el botón 4 ajústelo al de la solución buffer. Por ningún motivo debe volver a tocar este botón durante las demás medidas. Mueva el botón 6 o de función a la posición cero. Saque el electrodo del buffer de pH = 7,0. Lávelo y séquelo como se indicó anteriormente. Sumerja el electrodo completamente seco en la solución buffer de pH = 4,0. Mueva el botón 6 a la posición de pH y espere hasta que se estabilice a la lectura del buffer. Si no ocurre ajústelo utilizando el botón 5; alcanzado el valor, por ningún motivo debe volver a tocar ese botón. Pase el botón 6 a la posición de 0, saque el electrodo, lávelo y séquelo. El pH – metro se encuentra calibrado. Si no se va a utilizar pronto,

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se recomienda colocarle la cubierta húmeda para evitar la desecación de la membrana de vidrio permeable. 1.2 Lectura del pH en la muestra. Si ya tiene lista la muestra, si ha extraído el jugo, no olvide que debe estar completamente transparente ya sea porque ha sido filtrado a través de tela o gasa o se ha centrifugado de modo que trozos de fruta han sido separados. Si no es posible obtener el jugo, macere la muestra hasta obtener una pulpa homogénea utilizando un mortero, si la muestra es de un cereal seco, puede añadir un poco de agua destilada hasta formar la pasta en el mortero. Quite la caperuza de protección del electrodo, juáguela y séquela como se ha venido indicando, introdúzcalo dentro de la muestra, pase el botón 6 a pH y espere hasta que se estabilice el valor en la pantalla. Regístrelo en su cuaderno de laboratorio. No olvide efectuar la medición al menos dos veces. 2. Tratamiento de datos. Elabore el informe correspondiente de la práctica identificando la muestra y los valores encontrados. Haga una pequeña discusión sobre el origen de la acidez de la muestra que ha analizado y que importancia tiene esta propiedad para la calidad de la misma.

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TITULACIÓN POTENCIOMÉTRICA Tendrá la oportunidad de aplicar los principios teóricos y metodológicos de la potenciometría en el registro de la variación del pH en función del volumen de titulante en la determinación de la concentración de un ácido en una muestra comercial de su elección (vinagre, encurtidos, jugos de cítricos como naranja, limón, mandarina y de uvas, leche y derivados lácteos). El índice de acidez de un alimento es una propiedad química cuantitativa que puede utilizarse como un parámetro de calidad al estar en estrecha relación con el pH, factor que permite controlar el efecto perjudicial de algunos microorganismos que son tóxicos por sí mismos o por las toxinas que producen. El índice de acidez se puede definir como la cantidad, en gramos o en miligramos, presentes en 100 gramos del alimento. Según la cantidad presente y considerada como normal, se puede establecer el grado de conservación del alimento; generalmente los valores están expresados en las normas de calidad del mismo. La potenciometría ácido – base permite la elaboración de las curvas de titulación al poder registrar la variación del pH en función del volumen de titulante. El comportamiento del sistema que se está midiendo es exactamente el mismo que se discutió en las prácticas de titulación volumétrica, salvo que aquí el punto de equivalencia lo va a determinar utilizando un artificio matemático en vez de utilizar un indicador de pH. La potenciometría es la medida de la F.E.M., producida en una celda galvánica a través de la cual la corriente que pasa es virtualmente cero, por lo que no tienen lugar cambios importantes en la concentración de las especies electroactivas y la variable que interesa es la modificación del potencial de un electrodo (semicelda) en que tiene lugar variación de la concentración de uno o de ambos componentes. Como el potencial de un electrodo sencillo no se puede medir directamente, el par de electrodos de la celda consiste en un electrodo de referencia que mantiene el potencial constante y un electrodo indicador cuyo potencial depende de la composición de la disolución electrolítica que en nuestro caso tiene iones hidronio e iones hidroxilo. 1. Procedimiento. 1.1 Preparación de la muestra. El estudiante trae una muestra de su interés, ojalá en solución, o si la trae sólida, debe efectuar un tratamiento de extracción (preparación de jugos para el caso de las frutas cítricas o las uvas). Si está muy turbia, pásela por un papel de filtro, recibiendo en vasos de precipitados limpios y secos para evitar cualquier dilución; es importante recordar la necesidad de disponer la muestra en solución. Si va a utilizar el vinagre comercial o el líquido de gobierno del encurtido, se recomienda efectuar una dilución de la muestra de 1:10 para que pueda manejarse dentro del rango de medición del equipo. No olvidar tener en cuenta ese factor registrando en el cuaderno de laboratorio la alícuota tomada (10 mL, 25 mL) y el volumen final a la que fue diluida utilizando el balón aforado (100 mL, 250 mL).

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1.2 Calibración del pH – metro. Revise nuevamente la calibración del equipo, siguiendo el procedimiento realizado en la práctica anterior. 1.3 Desarrollo de la curva de titulación potenciométrica. Verifique si en el laboratorio existe la solución de hidróxido de sodio 0,1 N ya preparada y estandarizada; de lo contrario, proceda a prepararla y a estandarizarla como se le indicó en las técnicas de volumetría ácido – base ya estudiadas. En un vaso de precipitado de 250 mL limpio y seco, deposite una alícuota de 25 mL de la solución problema, añada 25 mL de agua destilada y coloque dentro del mismo el imán recubierto de teflón del agitador magnético si se dispone en el laboratorio. Si no lo hay, puede emplear un agitador de vidrio con aditamento de caucho o policía. En una bureta de 50 mL coloque una solución estandarizada de hidróxido de sodio 0,1 N, teniendo en cuenta los cuidados y recomendaciones para la purga, llenado y enrasado de la misma. Colóquela sobre el vaso de precipitados que contiene la muestra, manteniendo la llave cerrada. Proceda a introducir dentro de la solución contenida en el vaso de precipitados el electrodo de vidrio conectado al pH – metro pero con el botón de función en cero y observe cuidadosamente que no este tocando o en cercanías al imán con teflón o a la bureta, evitando cualquier movimiento brusco que pueda ocasionar su ruptura ya que si ello ocurre le será cobrado o deberá comprarlo nuevo. Inicie la agitación para verificar el funcionamiento del sistema o para que pueda determinar el espacio disponible para utilizar el policía. Pase el botón de función a pH, espere que se estabilice la medida y regístrela en su cuaderno de laboratorio frente al volumen cero. Coloque el botón en cero y añada con la bureta 5 mL de la solución estándar de hidróxido de sodio 0,1 N. Ciérrela, agite y pase el botón a pH, espere unos minutos hasta estabilizar la medición, regístrela en su cuaderno para el volumen añadido. Nuevamente lleve el botón a cero. Continúe añadiendo solución de hidróxido de sodio, repitiendo el proceso de agitación, medida de pH y desconexión del pH – metro con el botón de función hasta obtener medidas hasta 50 mL o alcance una medida de pH en la solución equivalente a 10. Si alcanza a tener tiempo disponible, efectúe la valoración por duplicado para que pueda valorar el error en la medición efectuada. 2. Cálculos. Con los valores de pH en función del volumen, construya en papel milimetrado las curvas de pH vs volumen de solución, y de ∆pH/∆V en función del volumen de solución para encontrar el volumen equivalente. Con ese dato y teniendo en cuenta la solución estandarizada, calcule el índice de acidez de su muestra, expresándolo en gramos del ácido más importante por 100 gramos de alimento o 100 mL del vinagre o del líquido de gobierno.

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Conociendo la concentración del ácido presente en la muestra, construya la gráfica teórica de la valoración del mismo volumen de la muestra y con el mismo rango de volumen de solución valorante de hidróxido de sodio e idéntica concentración. Trácela sobre la curva de titulación experimental utilizando otro color. 3. Informe. Teniendo en cuenta las orientaciones dadas en la primera sesión de laboratorio, elabore el respectivo informe adjuntando los resultados de la concentración de ácido, índice de acidez, las curvas de titulación, conjuntamente con la discusión de resultados y conclusiones obtenidas.

DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE VITAMINA C MEDIANTE

ESPECTROFOTOMETRÍA

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En la determinación analítica de la vitamina C se pueden utilizar métodos clásicos como la volumetría Redox al utilizar el fuerte poder reductor de esta sustancia, como ocurre con el método de J. Tillmans frente al 2,6 – diclorofenol – indofenol; colorante que en estado sólido es de color azul, con el mismo color en soluciones neutras o alcalinas y en medio ácido es rosado que se reduce a un derivado incoloro. La reacción que ocurre con el ácido ascórbico o vitamina C es: Esta técnica se puede utilizar también en espectroscopia visible ya que se puede medir la variación de la intensidad de la coloración conforme cambia la concentración del ácido ascórbico presente en soluciones provenientes de zumos de alimentos como frutas y verduras, piensos y en algunos materiales biológicos como el caso de la orina. Es específico del ácido ascórbico; como en algunas frutas se ha transformado en ácido deshidroascórbico que todavía tiene actividad como vitamina C, es necesario en la determinación analítica su transformación a ácido ascórbico para efectuar la determinación total de esa vitamina en la muestra en análisis. En los materiales vegetales el ácido ascórbico se encuentra, en ciertas proporciones, en formas combinadas (ascorbígeno), forma en que no puede ser utilizada por el organismo, que no las detecta el método pero si se hidroliza previamente con ácido oxálico por un tiempo, se puede recuperar en la especie detectada por el método. En el método que se va a utilizar aquí, el ácido ascórbico se extrae del material en una licuadora con ayuda de ácido oxálico. El efecto decolorante del ácido ascórbico extraído sobre el indofenol, se mide en un espectrofotómetro visible. Requiere que exista mínimo una concentración de 0,01 a 0,05 mg de ácido ascórbico presente. El espectrofotómetro visible es un equipo manual o de registro, de haz simple o doble, que permite medir la absorbancia o el porcentaje de transmitancia que tiene una solución coloreada. En la figura 21, se muestra el equipo de uso más común en el laboratorio, el cual tiene los siguientes controles y sitios de colocar la muestra o portamuestra. Lo primero que se evidencia es la escala o sitio donde el aparato muestra el resultado obtenido, la cual puede ser analógica o digital, dependiendo del modelo.

Figura 21. Esquema del espectrofotómetro visible.

O O ║ ║ C C | | C – OH C = O ║ O | C – OH + → C = O + | | H – C H – C | | HO – C – H HO – C – H | | CH2 – OH CH2 – OH

| OH

Cl Cl

║ N |

O ║

| OH

Cl Cl

| NH |

OH |

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Luego se encuentra el sitio de colocación de la muestra o porta muestra, que tiene una tapa o una puerta que permite cerrarlo para poder efectuar la calibración a cero del equipo o ausencia de corriente interna o absorbancia infinita (cero de porcentaje de transmitancia). Existen tres botones: uno de ellos con una escala que permite seleccionar la longitud de onda del análisis o efectuar el barrido del rango visible para obtener el correspondiente espectro de absorción de la sustancia. Otro destinado a encender el equipo y efectuar el ajuste del cero en la escala del equipo como se comentó anteriormente y otro destinado a ajustar el 100 % de transmitancia para establecer el rango de sensibilidad que tendrá el equipo durante el análisis. Una vez efectuada la calibración del equipo, por ningún motivo se modifica la posición de estos dos últimos botones so pena de cambiar las condiciones del ensayo y cometer errores sistemáticos. 1. Procedimiento. 1.1 Preparación de reactivos. A continuación se darán las instrucciones para la preparación de los reactivos requeridos. 1.1.1 Solución patrón de ácido ascórbico. Pesar exactamente 100 mg de ácido ascórbico y transfiera analíticamente a un balón aforado de 100 mL utilizando solución de ácido oxálico al 0,4 %; complete a volumen. Pase a un frasco de vidrio color ámbar, para evitar la oxidación por efecto de la luz. 1.1.2 Solución de colorante. Pese exactamente 40 mg de la sal sódica del 2,6 – diclorofenol indofenol, disuelva en agua destilada hasta completar 100 mL en un balón aforado. Tome una alícuota de 30 mL, deposítela en un balón aforado de un litro y complete a volumen. Transfiera a un frasco de vidrio. 1.2 Preparación de la curva de calibración. Disponga de cinco balones aforados de 500 mL cada uno limpios y márquelos de uno a cinco usando un lápiz de cera o cinta de enmascarar. A cada balón añada la

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cantidad de solución estándar de ácido ascórbico y luego complete a volumen utilizando una solución de ácido oxálico al 0,4 %: Balón número 1 2 3 4 5 Volumen de estándar (mL) 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 Una vez completado el volumen, agite para homogenizar, deje en reposo y transfiera a frascos de vidrio color ámbar para evitar la oxidación del ácido ascórbico por acción de la luz. Colocando el espectrofotómetro en la longitud de onda 540 nm, proceder a tomar las lecturas de porcentaje de transmitancia de la siguiente manera. En una gradilla coloque siete tubos de ensayo marcados de cero a siete y coloque en cada uno de ellos las siguientes soluciones, homogenice utilizando un agitador de vidrio y deje en reposo 15 segundos antes de tomar la medida de porcentaje de transmitancia. Tubo de ensayo número: 0 1 2 3 4 5 6 Solución ácido ascórbico (mL) 0,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 0,0 Solución de colorante (mL) 0,0 9,0 9,0 9,0 9,0 9,0 9,0 Agua destilada (mL) 10,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 Calibre el cero del espectrofotómetro utilizando la solución del tubo de ensayo cero. Para ello transfiera cuidadosamente la solución a la celda y con el botón de cero del equipo ajuste la escala analógica o digital. Luego ajuste el 100 % de transmitancia utilizando la solución marcada con el número seis, utilizando el botón del equipo que tiene esa finalidad. Una vez realizado, no debe tocar por ningún motivo ninguno de los botones de cero y de 100 % de transmitancia. Proceda en la misma forma con las soluciones uno a cinco. No olvide purgar la celda antes de cada medida para evitar problemas de dilución. Registre los valores de absorbancia o de porcentaje de transmitancia conforme haya calibrado el equipo, no olvide el error de paralaje si está utilizando un equipo con escala analógica; para ello haga coincidir la imagen del puntero con el objeto real cuando haga la lectura. 1.3 Preparación de la muestra y determinación del contenido de vitamina. Pese en un vaso de precipitados exactamente 50 g del material vegetal al que le desea determinar su contenido de vitamina C. Páselo cuantitativamente a una licuadora y añada 350 mL de solución de ácido oxálico al 0,4 % previamente preparado, licue por tres minutos, filtre a través de papel Whatman número cuatro, lave el filtro con solución de ácido oxálico y transfiera a un balón aforado de 100 mL, complete a volumen, homogenice y páselo a un frasco de vidrio ámbar marcado como muestra. Si es un jugo, verifique que sea completamente transparente o de lo contrario fíltrelo. Mida exactamente 50 mL dentro de un balón aforado de 250 mL, complete a volumen con solución de ácido oxálico, homogenice y transfiera a un frasco de vidrio de color ámbar, marcado como muestra. Proceda a efectuar la medida de porcentaje de transmitancia o absorbancia que tiene un mililitro de la muestra diluido con nueve mililitros de solución de ácido oxálico previamente preparados como hizo con la curva estándar, en el espectrofotómetro

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previamente calibrado. Registre el resultado en el cuaderno de laboratorio. Haga un duplicado del ensayo. 2. Cálculos. Determine la concentración del estándar de ácido ascórbico en mg/mL o partes por millón y calcule las concentraciones para cada uno de los patrones que utilizó en la construcción de la curva de calibración. Constrúyala en papel milimetrado y ajústela por el método de mínimos cuadrados, teniendo en cuenta que en la abscisa va la absorbancia y en la ordenada la concentración de ácido ascórbico en p.p.m. Recuerde la fórmula para transformar el porcentaje de transmitancia a absorbancia si sus datos se tomaron en esa forma. Interpole en la curva el valor de absorbancia que tiene la muestra para encontrar la cantidad de ácido ascórbico que tiene la muestra. Reporte el resultado de vitamina C de la muestra en mg de ácido ascórbico por 100 g de muestra. 3. Informe. Elabore un documento escrito que contenga los resultados y conclusiones obtenidos en esta experiencia, siguiendo los lineamientos dados en la Guía para la elaboración de informes y entréguelo al tutor para la revisión, información de retorno y calificación.

EXTRACCIÓN, PURIFICACIÓN Y ANÁLISIS DE CAROTENOIDES POR CROMATOGRAFÍA Y

ESPECTROSCOPÍA VISIBLE En los materiales vegetales, especialmente aquellos que pueden ser utilizados como alimento se encuentran dos tipos de sustancias que generalmente les comunica color como son las clorofilas y los carotenoides; grupos de compuestos orgánicos de color verde, para los primeros, amarillos o rojos para los segundos, que tienen diferente estructura química. Los carotenoides son pigmentos importantes en la alimentación, puesto que muchos de ellos pueden convertirse en vitamina A en el organismo animal o humano, por lo que se les considera como provitamina A y pueden estar asociados o no a las clorofilas.

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Las clorofilas son pigmentos que tienen una función fundamental en la fotosíntesis de los vegetales superiores. Para procesos de control de calidad y de maduración de los frutos, los colores que presentan se deben al predominio de uno de estos pigmentos, así, cuando se dice que están verdes, predomina la clorofila que les comunica ese color, pero en la medida en que alcanza la madurez biológica para la época de reproducción va desapareciendo dejando en evidencia los colores de los carotenoides dando la gama de amarillo a rojos o a la presencia de otros pigmentos (antocianinas) para el morado, azul, etc. El fundamento de esta práctica está en la extracción de estas sustancias de materia vegetal seleccionada previamente por el estudiante, la separación y purificación utilizando la cromatografía de columna y posterior registro del espectro de absorción del grupo de carotenoides. Si se dispone de tiempo y de patrón de β – caroteno, efectuar la cuantificación del mismo. 1. Procedimiento 1.1 Extracción de los carotenoides y clorofilas. Pese exactamente 20 g del material vegetal del que ha decidido determinar su contenido de carotenos, en un vaso de precipitados limpio y seco. Registre el dato en el cuaderno de laboratorio. Páselos a una licuadora y añada 50 mL de una mezcla de metanol y cloroformo 1:1 utilizando guantes y gafas protectoras. Licue por tres minutos, pase a un embudo buchner al que le ha adaptado un lecho de fibra de vidrio o si es posible utilizar un embudo que tenga lecho de vidrio sinterizado para filtración por vacío. Juague con otros 50 mL de la muestra. Pase a un embudo de decantación, separe las dos capas y haga dos lavados con 10 mL de agua destilada cada uno, para recuperar la mayor cantidad posible de metanol, luego transfiera a un erlenmeyer de 250 mL, añada unos 5 g de sulfato de sodio anhidro y agite para secar lo más que se pueda el extracto clorofórmico. Caliente sobre una plancha de calentamiento colocada en una vitrina de gases y evapore la solución hasta alcanzar 10 mL. 1.2 Preparación de la columna y desarrollo cromatográfico. Tome una bureta de 25 mL y colóquele un tapón de lana de vidrio al fondo de la misma para que pueda acomodar sin dejar escapar la fase adsorbente, pero que deje salir a la fase eluente. Llénela con cloroformo o con éter de petróleo y móntela en un soporte universal. Mediante un vaso de precipitado de 50 mL vaya agregando alúmina previamente activada o sílica gel G, deje que se asiente al fondo de la bureta y luego con una manguera del mechero de bunsen déle golpecitos suaves para que se vaya acomodando uniformemente y deje salir todo el aire que puede estar atrapado; recuerde que el éxito de la separación depende del empaque uniforme de la columna. Continúe ese proceso hasta formar una columna de unos 20 cm de alto con la fase adsorbente y verifique que el solvente sale sin dificultades y sin arrastrar la fase estacionaria abriendo un poco la llave como para que salga gota a gota. Controle que encima de la superficie de la columna siempre haya al menos 5 mL de fase móvil. Verificada las condiciones de salida, cierre la llave. Finalmente añada una capa de sulfato de sodio anhidro de modo que alcance una altura de 3 mm. Da garantía de que no se está incluyendo agua en el solvente de elusión ni en el de la muestra.

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Utilizando una pipeta, transfiera cuidadosamente los 10 mL de muestra, resbalando por la pared interna de la columna de modo que quede como una capa uniforme. Una vez alcanzada esa condición, proceda a efectuar el desarrollo cromatográfico empleando éter de petróleo, añadiéndolo cuidadosamente mediante un vaso de precipitados sin alterar las condiciones de la capa de adsorbente, ni dejar secar la columna lo que se logra vigilando la existencia de los 5 mL por encima de la superficie. La llave se debe abrir para dejar salir dos gotas por segundo. En la medida que va ocurriendo la separación, observe que se separan dos fases coloreadas una verde que queda al inicio de la columna y luego baja lentamente y otra de color amarillo a rojo que va descendiendo un poco más rápido y que se supone contiene a los carotenoides. Puede efectuar recolecciones parciales del solvente que emerge de la columna, digamos cada 10 mL, guardándolas en tubos de ensayo marcados como fracción 1, fracción 2, fracción 3, … que va dejando en la gradilla tapados. Posteriormente, puede efectuar un control cromatográfico de las mismas utilizando cromatografía de placa sobre vidrios portaobjetos para verificar cuántas manchas se tienen utilizando otro solvente y revelando con vapores de yodo. Para ello, toma prepara una suspensión de sílica gel en cloroformo en un frasco tipo mermelada, sumerge los dos portaobjetos, los extrae dejándolos secar al aire, separa y en uno de ellos siembra la muestra de cada fracción, deja desarrollar en otro frasco tipo mermelada hasta que el frente del solvente alcance una longitud determinada sin que llegue al borde superior, extrae, deja secar y luego lo introduce en otro frasco tipo mermelada al que le ha adicionado cristales de yodo. Deja revelar, extrae y verifica el número de manchas que tiene. Así puede ir agrupando fracciones comunes siempre que tengan el mismo Rf en el sistema cromatográfico que ha seleccionado. 1.3 Espectro de absorción de los carotenoides. Una vez ha separado los carotenoides, ya sea porque ha eluido la banda de color amarillo o rojo y en el control de pureza cromatográfica que ha efectuado con las diferentes fracciones, concentre cuidadosamente hasta obtener un volumen de 5 mL para cada una de ellas. Posteriormente, deposite cada fracción dentro de la celda del espectrofotómetro y comience a correr el espectro de absorción comenzando en 400 nm y finalizando en 500 nm efectuando medida cada 10 nm y en la región de máxima absorbancia efectúe la medida cada 5 nm. Registre los valores encontrados en su cuaderno de laboratorio. 1.4 Cuantificación de los carotenoides como β – caroteno. Si en el laboratorio se encuentra un patrón de β – caroteno, proceda a elaborar una curva de calibración, ajústela por mínimos cuadrados y interpole el valor de absorbancia encontrado para los carotenoides de la muestra. Reporte como Unidades Internacionales de vitamina A. 2. Informe Elabore un documento donde reporte sus resultados, las gráficas de los espectros de absorción y de la curva de calibración (si alcanzó a desarrollar toda la práctica), siguiendo los lineamientos de la Guía para la elaboración de informes de laboratorio y entréguela a su tutor para revisión, información de retorno y calificación.

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ACTIVIDAD DE PROFUNDIZACIÓN Y TRANSFERENCIA

Se ha finalizado el curso, por lo que es conveniente revisar los conocimientos adquiridos, las habilidades desarrolladas en el trabajo experimental y comprobar las proposiciones de aprendizaje, metas y objetivos de cada unidad. El estudiante y su tutor ya deben tener una idea clara de los resultados esperados, mediante la comprobación del Portafolio de Desarrollo Personal, los trabajos realizados en los Grupos de Aprendizaje Colaborativo de los cuales forma parte, lo mismo que en el Grupo de Curso. Esta actividad tiene como propósito verificar esos resultados, mediante la realización de un taller, que tiene las siguientes etapas: 1) Construcción colectiva del mapa conceptual del curso de Química analítica

Instrumental. 2) Simulación del trabajo analítico con un alimento vegetal y uno animal para

determinar sus propiedades químicas más importantes (debe seleccionarse el alimento o materia prima y recurrir a las normas ICONTEC para establecer las propiedades químicas que se deben analizar). Se debe elaborar un diagrama de flujo que contenga todas las etapas necesarias de realización de esos análisis.

3) Revisión final del Portafolio de Desarrollo Personal. 4) Valoración del desarrollo académico del curso (materiales, tutoría, prácticas de

laboratorio, resultados obtenidos).

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5) El tutor elaborará un informe escrito que enviará a la Facultad y al autor para mejoramiento del curso. (Es recomendable que lo haga por correo electrónico).