QUÍMICA ANALÍTICA Lección 1: Introducción a la Química Analítica Objetivos de la lección 1.
Intr Introd oduc ucir ir el el ccon once cept pto o de de Quí Quími mica ca Anal Analít ític ica. a.
2.
Destacar Destac ar su caráct carácter er interd interdisc iscipl iplin inar ar e interr interrela elacio cionar nar la Quími Química ca Analít Analítica ica con otras áreas científicas.
3.
Cono Conocer cer las distin distinta tass herr herram amien ienta tass de de que que dispon disponee llaa Quí Químic micaa Anal Analíti ítica ca
4.
Pres Presen enta tarr sus sus dist distin into tos s nive nivele les s conc concep eptu tual ales es y téc técni nico coss y algu alguna nas s posi posibl bles es clasificaciones.
5.
Distingu Distin guir ir entre entre análi análisis sis cualit cualitati ativo vo y cuant cuantita itativ tivo, o, entr entree análi análisis sis clá clásic sico oe instrumental, automatizado o no.
6.
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7.
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QUÍMICA ANALÍTICA Lección 1: Introducción a la Química Analítica
Contenidos 1. De Defi fini nici ción ón y obj objet etiv ivos os de la Qu Quím ímic ica a Ana Analí líti tica ca ac actu tual al.. 2. La Qu Quím ímic ica a Ana Analí líti tica ca en la so soci cieda edad: d: ti tipos pos de pr probl oblema emas s analíticos. 3. Lo Los s mét métod odos os de la Qu Quím ímic ica a Ana Anallít ítiica ca.. 4. Carac Caracte terís rísti tica cas s de un un méto método do ana analí líti tico co:: intr introd oduc ucci ción ón a los los conceptos de exactitud, precisión, sensibilidad, selectividad, etc. 5. In Info forma rmaci ción ón y doc docum umen enta taci ción ón en Qu Quím ímic ica a Anal Analíti ítica ca..
El concepto “analizar” “analizar” implica, etimológicamente, examinar, estudiar, conocer, desentrañar, ponderar, etc. El objetivo del análisis puede ser objetos, sistemas, hechos, comportamientos y actitudes, aumentando en este orden la intangibilidad. El fin último perseguido es el suministro de información sobre los mismos, para diagnosticar y tomar decisiones de manera fundamentada y eficaz. eficaz.
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Definición de Química Analítica actual
“La Química Analítica es una disciplina científica que desarrolla y aplica métodos, instrumentos y estrategias para obtener información acerca de la composición y naturaleza de la materia en el espacio y en el tiempo” (Working Party on Analytical Chemistry, Edimburgo 1993)
Científico
Con un fin
Solucionar un problema
Medicina Orgánica Geología, etc.
Social Medioambiente Industria, etc.
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Conceptos que se extraen de las definiciones de Química Analítica
9Se trata de una ciencia metrológica. 9Tiene un doble carácter: básico (desarrolla) y práctico (aplica). 9Genera información sobre la materia o sistema en estudio. 9Incorpora la calidad como objetivo estratégico para conseguir
resolver problemas científico-técnicos y económico-sociales.
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QUIMICA ANALITICA ¿Qué es esto? ¿De qué componentes está constituida esta muestra?
IDENTIFICACION o CARACTERIZACIÓN Simple reconocimiento de los tipos de especies o elementos presentes en una muestra
ANALISIS CUALITATIVO
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¿Cuánto hay de cada componente en la muestra?
DETERMINACIÓN Medida Cuantitativa de un componente en una muestra
ANALISIS CUANTITATIVO
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Visión jerarquizada de la Química Analítica
La Determinación abarca el conjunto de operaciones analíticas concretas: toma y preparación de muestras, cambios físicos y/o químicos, además de la medida. (Objetivo: La muestra) El Análisis Químico se refiere al conjunto de actuaciones de un proceso analítico incluyendo, además de la determinación, la selección de datos, elección de la técnica y el método y la interpretación de los resultados. (Objetivo : Problema Analítico) La Química Analítica es la Ciencia que comprende además de los eslabones anteriores, aspectos tales como educación, desarrollo e investigación.
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a c Objetivos de la Química Analítica actual i t í l a n A a c i m í SOLUCIONAR PROPORCIONAR LA u PROBLEMAS ANALÍTICOS INFORMACIÓN REQUERIDA Q a l e d PROPÓSITO s o v i t QUÍMICA ANALÍTICA e j b O OBJETIVOS y n ó i REDUCIR: MAXIMIZAR: c i -MATERIAL -COSTE MENOS n MAS INFORMACIÓN -ESFUERZO HUMANO i f e -PELIGRO MEJOR (BIO)QUÍMICA D
+
-
Ejemplos
Problema científico, económico o social
Problema analítico
Contaminación de un río
Identificación y cuantificación de contaminantes orgánicos e inorgánicos en el agua del río
“Doping” en los Juegos Olímpicos
Determinación de anfetaminas, hormonas, etc. en la orina de atletas
Adulteración de aceite de oliva con otras grasas
Determinación de grasas vegetales y animales en aceite
Antigüedad de un Zircón (mineral que contiene U y Th)
Determinación de las relaciones isotópicas del Pb contenido en el mineral
s o c i t í l a n A s a m e l b o r P e d s o p i T
Funciones de la Química Analítica en la Industria
Muestreo y análisis de las materias primas
Control de la calidad de los productos
Análisis de productos intermedios
Control de la calidad de los efluentes
s o c i t í l a n A s a m e l b o r P e d s o p i T
s o Materiales objeto de la Química Analítica c i t Materiales químicos: rocas, aleaciones, preparados farmacéuticos, í l a efluentes gaseosos, etc. n A Materiales bioquímicos: proteínas, ácidos nucleicos, citosoles, etc. s a Materiales biológicos: sangre, orina, tejidos, etc. m e l b o r Información químico-analítica requerida P e El objetivo prioritario de la Química Analítica es la reducción de la d incertidumbre acerca de la composición (cualitativa, cuantitativa y s o p estructural) de la materia en estudio. i T
EJEMPLO
s o c i t í l a a) SiO2 en un mineral n 0% 100 % A s Resultado analítico: 78,4±0,1 % a m e l b b) Contenido de Hg en la Bahía de Minamata o E r R P Presencia de Hg B e M Concentración total de Hg N d U Ó D Concentración de CH3Hg+ I s I C T 2+ + o Concentración de Hg y CH3Hg A R p i E M C T R O F N I
N I
Información generada por los procesos químico-analíticos Información química y bioquímica: - Presencia/concentración de especies orgánicas y/o inorgánicas (drogas, grasas, iones inorgánicos, etc.). - Presencia/concentración/actividad de especies bioquímicas (aminoácidos, proteínas, enzimas, etc.). - Presencia/concentración de microorganismos. - Presencia/concentración de alergenos. - Estructura de la materia. - Estructura de las proteínas. - Distribucción de componentes en la materia.
s o c i t í l a n A s a m e l b o r P e d s o p i T
HERRAMIENTAS DE LA QUIMICA ANALITICA Químicas: reactivos, reacciones químicas, etc. Físicas: fuentes de radiación (p.e. láser), aparatos, instrumentos, balanzas, etc. Matemáticas: tratamiento estadístico de los datos, eliminación de ruido en las señales analíticas, etc. Bioquímicas: reactivos inmovilizados, etc.
inmunológicos,
uso
de
enzimas
Biológicas: uso de tejidos animales o vegetales para la preparación de sensores. Informáticas: programas de adquisición y/o tratamiento de los datos. Ingenieriles: adaptación de procesos a escala analítica (extracción con fluidos supercríticos, liofilización, etc.)
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PALABRAS CLAVE EN LA RESOLUCIÓN DEL PROBLEMA ANALÍTICO
Principio científico utilizado para obtener información analítica (empleando habitualmente un instrumento)
TÉCNICA ANALITICA MÉTODO ANALITICO Aplicación de la técnica para la resolución de un problema concreto
El procedimiento: procedimiento es la descripción pormenorizada del método analítico
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Herramientas analíticas para obtener medidas analíticas
Analizador Instrumento
Aparato
Sistema automático que realiza todo el proceso analítico (Autoanalizador para determinar H y C en aceros) Proporciona datos, masas, potenciales, absorbancias, etc) relacionados con resultados analíticos. Son la materialización de las técnicas analíticas (espectrofotómetro) Desarrolla una función pero no produce información analítica (centrífuga, digestor de microondas)
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Los métodos de la Química Analítica ¾Métodos de toma de muestra. ¾Métodos de tratamiento de muestra. ¾Métodos de medida de la señal analítica.
o Métodos químicos o Métodos fisico-químicos o instrumentales o Métodos automatizados. ¾Métodos de tratamiento de datos. ¾Métodos de control de calidad.
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Métodos de medida de la señal analítica Métodos químicos de análisis (clásicos) - Están basados en reacciones químicas estequiométricas del tipo: aA + bB
→
cC
donde A es la sustancia a determinar o identificar y B en reactivo. - Están considerados como métodos “absolutos” de análisis y son trazables directamente al Sistema Internacional de unidades (medidas de masa y volumen). - Están indicados para la determinación de componentes mayoritarios y, en algunos casos, minoritarios. Métodos fisico-químicos o instrumentales. - Miden una propiedad relacionada con la concentración del analito en la muestra. - Están considerados como métodos “relativos” de análisis, ya que requieren un calibrado previo. Métodos automatizados.
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Métodos Métodosquímicos químicos(clásicos) (clásicos)
Gravimetría Precipitación Pesada
Análisis volumétrico Titulación o Volumetría
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Métodos gravimétricos de análisis Se basan en la medida del peso de una sustancia sólida obtenida tras una reacción química cuantitativa y de estequiometría definida. Métodos directos: - reacciones de precipitación. Ag+ + Cl- AgCl - reacciones de volatilización-adsorción. C + O2 CO2 CO2 (g) + 2NaOH (ads.) Na2CO3 (s) + H2O (ads.) Métodos indirectos: reacciones de volatilización. SiO2 + 4HF SiF4 + 2H2O Material necesario:
Balanza analítica (0.0001 g) calibrada y trazable. Material de vidrio (vasos, embudos, varillas, etc.) Papel de filtro Estufa (secado), crisoles y mufla (calcinación y volatilización)
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Métodos volumétricos de análisis
Se basan en la medida del volumen de un reactivo, de concentración conocida, utilizado para realizar una reacción química cuantitativa y estequiométrica. Material necesario:
Balanza analítica (control de calidad del material volumétrico y preparación de patrones) Bureta Material de vidrio (matraces aforados, vasos) Agitador magnético Indicador del punto final (compuesto químico o indicador instrumental) Conocimiento profundo de las reacciones químicas en disolución y de los equilibrios químicos.
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Métodos Métodosinstrumentales instrumentales
Electroquímicos
Separación
Electrolisis Cromatografía Voltamperometría Potenciometría
Espectroscopía óptica
Emisión Absorción
Espectrometría de masas
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Métodos instrumentales de análisis
Se basan en la medida de una propiedad física relacionada con el analito y su concentración en la muestra. Están considerados como métodos “relativos” de análisis, ya que suelen requerir un calibrado previo del instrumento.
Material necesario:
- Instrumento con las prestaciones adecuadas. - Material de vidrio (matraces aforados, vasos)
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Métodos automatizados
a c i t í l Automatización: Utilización de dispositivos mecánicos e a instrumentales para reemplazar, aumentar o suplementar el esfuerzo y n A las facultades humanas en el desarrollo de un proceso dado a c i m í MUESTRA TRATAMIENTOS u ADQUISICIÓN Y PRELIMINARES TRANSDUCCIÓN TRATAMIENTO Q a l DE DATOS e d MÉTODO INSTRUMENTO RESULTADOS s o d o t é CALIBRACIÓN M s PATRONES o L Se ha llevado a cabo una automatización de todas las herramientas y procesos
Evolución de la Química Analítica durante las últimas décadas en función de las herramientas analíticas empleadas
ETAPA o c i g ó l o n c e a t c i y t í l o a c n i f í t A n a e i c i c m o í l l u o Q r r a a l s e e d d e d l e v i N
Clásica
Moderna
Contemporánea
Futura
• Miniaturización • Simplificación • Herramientas analíticas de respuesta rápida • Automatización • Bioanálisis • Ordenadores • Calidad Instrumentación 1950-60
1970-80
Década
1990-2000
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Precisión.
Precisión: Concordancia mutua entre los datos que se han obtenido de una misma forma. Es una medida del error indeterminado o aleatorio de un análisis. Repetitividad/Repetibilidad : Precisión
de un conjunto de medidas repetidas en una sucesión rápida. Reproducibilidad : Precisión cuando
cada una de las medidas se ha realizado en situaciones diferentes.
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Sensibilidad.
Sensibilidad:
Capacidad
de
diferenciar
pequeñas
variaciones en la concentración del analito. Depende de la pendiente del calibrado y de la precisión: ¾
Entre dos métodos de igual precisión será más sensible el que tenga mayor pendiente de calibrado.
¾
Entre dos métodos de igual pendiente de calibrado será más sensible aquel que tenga mayor precisión.
Sensibilidad de calibrado: Pendiente del calibrado. Tiene el inconveniente de no tener en cuenta la precisión de las medidas.
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Límite de detección.
Límite de detección: Mínima concentración de analito que se puede detectar, es decir, aquella concentración de analito que produce una señal significativamente (estadísticamente) diferente de la señal del blanco o señal de fondo. Depende por tanto de la pendiente de calibrado y de las fluctuaciones de la señal del blanco (precisión de la medida del blanco). La señal mínima distinguible del blanco sería:
S
LD
=
S + ks b
b
La señal del blanco y su desviación estándar se obtienen midiendo repetidamente (al menos 10 veces) el blanco. Cuando k=3 el nivel de confianza de la detección es del 95% en la mayoría de los casos, de modo que:
C
LD
3s =
b
m
Si k=10 en vez de límite de detección hablamos de límite de cuantificación.
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Ruido.
Ruido: Fluctuaciones en la señal que degradan la exactitud, precisión y límite de detección. El ruido es independiente de la señal medida y por eso se suele utilizar como parámetro numérico la relación señal/ruido (S/N: signal/noise):
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Ruido.
Ruido químico: Procede de multitud de variables incontroladas directamente relacionadas con la química del sistema: posición del equilibrio químico, variaciones no detectadas de la temperatura, etc. Ruido instrumental: Está relacionado con los distintos componentes del instrumento utilizado: generador de señales, detector, etc, p.e.: ¾
Debido a la agitación aleatoria térmica de los electrones en las resistencias, condensadores, detectores de radiación, celdas electroquímicas y otros elementos resistivos del sistema. Sólo se anula en el cero absoluto de temperatura.
¾
Debido al movimiento de electrones a través de una unión (p.e. una unión pn).
¾
Debido al entorno (líneas de corriente alterna, emisoras de radio y televisión, teléfonos móviles, motores, etc.).
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Intervalo lineal.
Intervalo lineal: Intervalo de concentraciones que va desde el límite de cuantificación hasta el límite de linealidad (concentración a partir de la cual la curva de calibrado deja de ser lineal). Se suele expresar en órdenes de magnitud.
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Selectividad y robustez. ANALITO: Especie (elemento, molécula) a analizar o determinar en una muestra. MATRIZ: Componentes de la muestra, excepto el analito.
Selectividad: Grado de interferencia de las especies presentes en la matriz sobre la señal del analito.
Robustez: Cualidad de un método analítico de resistir pequeños cambios en las condiciones operatorias (p.e. pH del medio, concentración de algún reactivo, orden de adición de reactivos, temperatura, etc.) sin que su funcionamiento se vea alterado (p.e. en términos de exactitud y precisión).
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Características de los métodos químicos de análisis ¾Sensibilidad moderada a baja (componentes mayoritarios y minoritarios)
Componente mayoritario: >1% en peso Componente minoritario: > 0.01 y < 1% en peso Componente traza: <0.01% en peso ¾Selectividad moderada a alta (pueden requerir métodos de separación de
interferencias) ¾Exactitud alta y Precisión alta (reproducibilidad mejor del 0.1%) ¾Trazabilidad directa al sistema internacional (uso de medidas de peso, volumen
y pesos atómicos y moleculares (moles) ¾Control de calidad sencillo: Material gravimétrico (balanza) y volumétrico
(buretas y matraces aforados). Patrones puros (p.e. Carbonato sódico para valoraciones ácido-base) ¾Coste bajo, alta rapidez (volumetrías), disponibilidad generalizada, fáciles de
manejar .
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Características de los métodos instrumentales de análisis
¾Sensibilidad elevada o muy elevada (minoritarios, trazas y ultratrazas) ¾Selectividad. Depende del método instrumental ¾Exactitud. Depende del método instrumental ¾Precisión alta (reproducibilidad mejor del 0.1%) ¾Trazabilidad directa al sistema internacional (uso de medidas de peso,
volumen y pesos atómicos y moleculares ¾Control de calidad complejo ¾Coste, rapidez, facilidad de manejo, depende de la instrumentación utilizada
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Fuentes de información disponibles en Química Analítica.
1) Métodos Oficiales de Análisis: Directivas Europeas, BOE, etc. 2) Métodos Normalizados de Análisis: ISO, UNE, ASTM, etc. 3) Métodos publicados en revistas científicas, libros de texto, etc. 4) Métodos desarrollados en el laboratorio.
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