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DETERMINACIÓN DE SODIO POR ESPECTROSCOPIA DE EMISIÓN EMIS IÓN ATÓMICA José Daniel Herrera González Cédula 4 0220 0165 Laboratorio de Métodos Instrumentales de Análisis, Grupo 05, Licda. Alejandra Gamboa Jiménez. Bachillerato en Química Industrial, Escuela de Química, Universidad Nacional De Costa Rica. Fecha de entrega: 2015-04-22
Fundamento Teórico Se determinó la cantidad de sodio presente sodio presente en una muestra incógnita mediante espectrofotometría de emisión atómica. La muestra se hizo llegar a la llama por medio de un nebulizador, en la cual se desolvató, volatilizó, atomizó y excitó por la energía térmica proveniente de la llama, cuando los átomos excitados regresaron a su estado fundamental, emitieron radiación electromagnética cuya intensidad se se midió a una longitud longitud de onda de 589,6nm. Se determinó la cantidad de sodio presente en una muestra de agua desionizada y también en una muestra de orina diluida. La concentración de sodio se obtuvo a partir de la curva de calibración, leída a una longitud de onda de emisión de 589,6nm. Los resultados obtenidos se expresaron como mg/L de sodio para la muestra incógnita y para la muestra agua desionizada y como meq/L para la muestra de orina.
Sección Experimental Reactivos
Disolución patrón de sodio (25,068 ± 0,026) mg/L (k = 2). Disolución de ácido nítrico al 5%.
Equipo
Espectrofotómetro Perkin Elmer AAnalyst 800 (con horno de grafito incorporado).
Datos preliminares
Incógnita
000±0,± 0,0005320 mLmmLL mg/L Na+ = [incógnita mg⁄L] ∙ 5,50,0000000±
Orina
0±0,± 0,0056049 mLmL 5,50,0000000± 000±0,±+ 0,0005320 mLmL meqL Na+ = [X mg⁄L] 1,250250,22,0000,090008977 89770000±±1eq0,0000012 000012 g NaNa
Condiciones de operación del equipo en la determinación de calcio por EEA
Cuadro 1. Condiciones de operación del equipo de EAL. Parámetro
Valor
Longitud de onda (nm) Abertura de la rejilla (nm) Corriente lámpara (mA) Tipo de quemador Tipo de llama Presión de aire (psi) Flujo de aire Presión de acetileno (psi) Flujo de acetileno
589,6 0,2 10 Premezcla Oxidante 80 4 13 2
Dónde: EEA EAL
→ →
Espectrofotometría de Emisión Atómica. Emisión Atómica en Llama.
Datos experimentales Cuadro 2. Curva de calibración para la determinación de sodio por espectrofotometría de emisión atómica, preparada a partir de una disolución patrón de 25, 068 ± 0,026 mg/L de sodio, leída a una longitud de onda de 589,6nm usando un espectrofotómetro de AAL. Patrones
Blanco 1° 2° 3° 4° 5° Promedio
Intensidad Emisión (± 1) 0,000 1221 2425 4707 6419 7944 4543
Concentración (mg/L) 0,000 0,251±0,020 0,5014±0,0054 1,0027±0,0053 1,5041±0,0079 2,0054±0,0081 1,0529
Intensidad Emisión esperada 0,000 1288 2287 4286 6284 8282 4485
2
Cuadro 3. Intensidad de la emisión de una disolución de la muestra incógnita “Dy”, utilizando una alícuota de 5,0000 ± 0,0053 mL, leída a una longitud de onda de emisión de 589,6nm usando un espectrofotómetro de AAL. Repetición I.Absorbancia
1 7800
2 7806
3 7882
Promedio 7829
Cuadro 3. Intensidad de la emisión de una muestra de agua desionizada, leída a una longitud de onda de emisión de 589,6nm usando un espectrofotómetro de AAL. Muestra Agua desionizada
Intensidad Emisión -0,070
Cuadro 4. Intensidad de la emisión de una muestra de orina, leída a una longitud de onda de emisión de 589,6nm usando un espectrofotómetro de AAL. Muestra Orina
Intensidad Absorbancia 9803
Resultados 8000 1 ± 6000 n ó i s i m4000 E d a d i s 2000 n e t n I
0 0.0000
y = 3985.7x + 289.02 R² = 0.9913
0.5000
1.0000
1.5000
2.0000
2.5000
Concentración ± 0,037mg/L
Figura 1. Curva de calibración para el análisis de sodio, preparada a partir de una disolución patrón de 25,069 ± 0,026 mg/L de sodio; leída a una longitud de onda de 589,6 usando un espectrofotómetro de AAL.
La concentración promedio de sodio obtenida en la muestra incógnita “Dy” leída a una longitud de onda de 589,6nm, fue de 18,92 ± 1,54 mg/L (k = 2), con una desviación estándar relativa de 0,58%. La concentración de sodio obtenida en la muestra de orina personal leída a una longitud de onda de 589,6nm, fue de 259,558926 ± 0,000027 meq/L (k = 2).
Discusión de Resultados La espectrofotometría de emisión atómica es útil para la determinación de varios metales y en algunos aspectos, complementaria a la absorción atómica. La emisión atómica en llama puede usarse en el mismo instrumento utilizado para la absorción atómica y entre sus ventajas destacan la simplicidad, el bajo costo y la accesibilidad, mientras que las ventajas de la emisión atómica con plasma acoplado inductivamente son límites de detección más bajos, menos susceptibilidad a interferencias y capacidad de análisis multielemental (1). En los métodos espectrométricos de emisión atómica los átomos presentes en una muestra son sometidos a una fuente de energía térmica, en este caso una llama, en la cual ocurre la atomización de la muestra y la excitación de los átomos mediante procesos no radiantes (calor o electricidad). Cuando los átomos regresan a su estado fundamental emiten una cantidad de energía radiante la cual es directamente proporcional al número de átomos presentes en ella (2). La concentración promedio de sodio obtenida en la muestra incógnita “Dy” fue de 18,92 ± 1,54 mg/L; la cual se obtuvo a partir de la curva de calibración; la cual dio un R=0,9913; lo que indica que los resultados no son confiables. Además se obtuvo una desviación estándar relativa de 0,58% lo cual evidencia un alto grado de precisión entre los datos reportados. Sin embargo, los resultados obtenidos pudieron verse afectados por distintas fuentes de error, por ejemplo en cuanto al método la utilización de un atomizador en llama, presenta la desventaja de que una cantidad significativa de la muestra fluye hasta el drenaje y que el tiempo de residencia de los átomos en la trayectoria óptica es bastante breve, lo que puede influir en la sensibilidad del análisis (3, 4). Otro error que pudo presentarse fue el del efecto de desplazamiento en el equilibrio de ionización, que surge debido a la formación de compuestos iónicos como Na+ lo que
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generaría una disminución en la señal obtenida, debido a que la emisión de la especie excitada se puede traslapar o estar muy próxima a la emisión del analito, por tanto se vuelve imposible la resolución mediante el monocromador. Sin embargo, este error se vuelve más importante en llamas de temperatura más alta, que utilicen combustibles más oxigenados. Este error se puede contrarrestar mediante la adición de un supresor de ionización, el cual es una sustancia que posee un potencial de ionización mayor que el del analito, lo cual produce una concentración relativamente alta de electrones en la llama y desfavorece los desplazamientos en los equilibrios de ionización (3). Según la OMS, el agua potable contiene cerca de 50mg/L de sodio y el umbral gustativo de este ion en el agua es de 200mg/L, actualmente no hay valores de referencia basados en efectos sobre la salud. Por tanto la muestra de agua analizada se encuentra por debajo del umbral gustativo y dentro del valor aceptado para calificar el agua como potable (5). En la práctica también se determinó la concentración promedio de sodio en muestras de orina personal, para la cual se obtuvo un valor de 259,558926 ± 0,000027 meq/L; mientras que los valores normales para un adulto son de 15 a 250 meq/L/día dependiendo de qué tanto líquido y sal consume la persona, por lo tanto la muestra de orina sobrepasa los límites normales para una persona sana, esto se puede deber a una dieta alta en consumo de sales o bien al uso de ciertos medicamentos. Según el Ministerio de Salud, una persona adulta debe de consumir entre 2000 y 7000 mg/L de sodio al día, el valor encontrado en la muestra de orina fue de 5967,58 ± 195,46 mg/L lo cual corresponde cerca de un 90% si el consumo máximo personal fuese de 7000 mg/L/día, lo cual es normal pues en la orina se excreta cerca del 95% de sodio ingerido (6).
Un consumo excesivo de sodio en la dieta puede además de provocar hipertensión arterial y problemas cardiovasculares debido a su efecto vasoconstrictor, puede causar problemas gástricos relacionados con mayor incidencia de gastritis y úlceras estomacales, así como mayor incidencia de osteoporosis, debido a que niveles altos de sodio incrementan la excreción urinaria de calcio y también se dañan los riñones, ya que se genera un esfuerzo extra para el riñón quien debe eliminar desechos y reabsorber así como excretar sodio (7).
Referencias Bibliográficas: 1) Menendez, F. Higiene Industrial. Novena Edición; Editorial Lex Nova S.A: España, 2009; p 150. 2) Taiz, L.; Zeiger, E. Fisiología Vegetal . Tercera Edición; Editorial de la Universidad Jaume I: España, 2006; p 558. 3) Skoog, D. A.; West, D. M.; Crouch, S. R. Principios de Análisis Instrumental. Sexta Edición; Editorial Cengaje Learning Editores: México, 2008; p 233, 244, 245.
4) Miller, J. Estadística y Quimiometría Para Química Analítica. Cuarta Edición; Prentice Hall: España, 2002; p 115. 5) World Health Organization. Guidelines for Drinking-Water Quality. Tercera Edición; WHO Library: Suiza, 2006; p 183-189. 6) Página principal del Ministerio de Salud http://www.ministeriodesalud.go.cr//
(Accesado el 2015/04/21). 7) Página principal de
Vitónica
http://www.vitonica.com/minerales/lasconsecuencias-del-exceso-de-sodio-van-masalla-de-la-hipertension-arterial
2015/04/21).
(Accesado
el
Apéndice 1.
Contribuciones a la incertidumbre de la concentración de los patrones. Incertidumbre de una pipeta aforada de 0,500 ; mL con una tolerancia de ± 0,005 calibrada a 20°C.
μv = μtolerancia μrepetibilidad μtemperatura μtolerancia = 0,√ 0605 =0,02041241452=0,020 μrepetibilidad = √ SN =0,0044 μtemperatura= 7°C∙2√ ,13x10− =0,000848704=0,00085 μv = 0,020 0,0044 0,00085 μv=0,02049591423=0,020
Los resultados paras las pipetas aforadas de 1,000 ± 0,007 mL; 2,000 ± 0,006 mL; 3,000 ± 0,015 mL y 4,000 ± 0,015 mL con sus respectivas tolerancias se calcularon de manera similar y los resultados obtenidos fueron los siguientes:
μv=0,005337836=0,0053 μv=0,005083551=0,0051 μv =0,00756918=0,0076 μ v =0,00756918=0,0076 μv = μtolerancia μrepetibilidad μtemperatura μtolerancia = 0,√ 065 =0,02041241452=0,020 μrepetibilidad = √ SN =0,0044 μtemperatura= 7°C∙2√ ,13x10− =0,000848704=0,00085 μv = 0,020 0,0044 0,00085 μv=0,02049591423=0,020 1° Patrón =0,25068mg/L 0, 0 20 0, 0 20 0, 0 13 Up =2∙0,25068 0,500 50,000 25,068 Pipeta 1,000 ± 0,007 mL: Pipeta 2,000 ± 0,006 mL: Pipeta 3,000 ± 0,015 mL: Pipeta 4,000 ± 0,015 mL:
2.
Incertidumbre de un balón aforado de 50,00mL con una tolerancia de ±0,05 calibrado a 20°C.
Concentraciones de los patrones con sus respectivas incertidumbres expandidas (k = 2).
Up=0,02005708796=0,020 1° Patrón =0,251±0,020 mg/L
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Los resultados paras las concentraciones de los patrones 2°, 3°, 4° y 5° con sus respectivas incertidumbres expandidas (k = 2) se calcularon de manera similar y los resultados obtenidos fueron los siguientes:
2° Patrón=0,5014±0,0054 mg/L 3° Patrón=1,0027±0,0053 mg/L 4° Patrón =1,5041±0,0079 mg/L 5° Patrón =2,0054±0,0081 mg/L 3.
Contribuciones a la incertidumbre de la concentración de Sodio presente en la muestra INCÓGNITA.
Incertidumbre de una pipeta aforada de 5,00mL con una tolerancia de ± 0,01 calibrada a 20°C.
μv = μtolera0,nc01ia μrepetibilidad μtemperatura μtolerancia = √ 6 =0,004082482=0,0041 μrepetibilidad = √ SN =0,0033 μtemperatura= 7°C∙2√ ,13x10− =0,000848704=0,00085 μv = 0,0041 0,0033 0,00085 μv=0,005331275=0,0053 →μv =0,02049591423=0,020 μv = μtolerancia μrepetibilidad μtemperatura μtolerancia= 0,√ 162 =0,048989794=0,049 μrepetibilidad= √ SN =0,0044 μtemperatura = 7°C∙2√ ,13x10− =0,000848704=0,00085 μv = 0,049 0,0044 0,00085 μv =0,0492044967=0,049
Incertidumbre de un balón aforado de 50,00mL con una tolerancia de ±0,05 calibrado a 20°C.
Antes calculada
Incertidumbre de un balón aforado de 250,00mL con una tolerancia de ±0,12calibrado a 20°C.
Contribuciones a la incertidumbre de la curva de calibración
S = Sym M1 N1 ̅Sy y∙m̅
Contribución Sy.
yŷ S = ∑N2 =
19,05
12211288 24252287 47074286 64196284 79448282
S = 333,288=333
52
Contribución Sxx.
S = x x̅2
0,055290141,2 05292,00541, 2 1,005290271,2 05292 = 0,2511,05291,50411, Sxx=2,06055359=2,1
Incertidumbre de la curva de calibración
̅ ̅ Sy 1 1 y y S = m M N S ∙m
Sc= 3985,3337 13 15 435437829 985,72,1 Sc=0,07734489753=0,077 4.
Cálculos de la concentración de Sodio presente en la muestra INCÓGNITA.
Concentraciones obtenidas a partir de la curva de calibración.
Repetición 1: 7800=3985,7x289,02→x=1,884482023 x=1,884±0,077 mg/L Na , 1 mg/L Na, 1 =(1,884 mg/L Na)505 mg/L Na, 1 = mg/L Na Repetición 2: 7806=3985,7x289,02→x=1,885987405 x=1,886±0,077 mg/L Na , 2 mg/L Na, 2 =1,886 mg/L Na2505 mg/L Na, 2 = mg/L Na 18,84
18,86
Repetición 3: 7882=3985,7x289,02→x=1,905055574 x=1,905±0,077 mg/L Na , 3 mg/L Na, 3 =(1,905 mg/L Na)505 mg/L Na, 3 = mg/L Na 0, 0 77 0, 0 20 μR= 18,84∙ 1,884 50,000 0,5,00053000 μR =0,7702957926=0,77 Repetición 1: =18,84±0,77 mg/L Na , 1
5
Cálculo de las incertidumbres combinadas
Los resultados de las concentraciones e incertidumbres combinadas para las repeticiones 2 y 3, se calcularon de manera similar y los resultados obtenidos fueron los siguientes:
Repetición 2: =18,86±0,77 mg/L Na, 2 Repetición 3: =19,05±0,77 mg/L Na , 3 19,0518,92 9 2 S= 18,8418,92 18,8618, 31 S=0,1148491765=0,11 1 , 3 12 0 , 1 1 μ̅x = 0,77 √ 3 =0,7744951608 μ̅x =0,77 U= μ̅x ∙ 2 =0,7 7∙2 =1,5 4 ̅x= 18,8418,38619,05 x̅=18,921,54 mg/L Na %RSD= 18,0,1912 100% =0,58%
Cálculo de la desviación estándar.
Incertidumbre del promedio de la concentración de Na.
Cálculo de la incertidumbre expandida.
Cálculo del promedio y %RSD de la muestra incógnita.
5.
Contribuciones a la incertidumbre de la concentración de Na presente en la muestra de ORINA.
Incertidumbre de una pipeta aforada de 1,000mL con una tolerancia de ± 0,007 calibrada a 20°C.
Antes calculada
Incertidumbre de una pipeta aforada de 5,00mL con una tolerancia de ± 0,01 calibrada a 20°C.
Antes calculada
→μv =0,005337836=0,0053 →μv =0,005331275=0,0053
Incertidumbre de un balón aforado de 50,00mL con una tolerancia de ±0,05 calibrado a 20°C.
→μv=0,02049591423=0,020 μv = μtoler0,anc12ia μrepetibilidad μtemperatura μtolerancia= √ 6 =0,048989794=0,049 μrepetibilidad = √ SN =0,0044 μtemperatura = 7°C∙2√ ,13x10− =0,000848704=0,00085 μv = 0,049 0,0044 0,00085 μv =0,0492044967=0,049 Antes calculada
6.
Incertidumbre de un balón aforado de 250,00mL con una tolerancia de ±0,12calibrado a 20°C.
Cálculo de la concentración de Na presente en la muestra de ORINA
Incertidumbre de la masa molar de Sodio Elemento
Masa Molar
Sodio
22,989770 (2)
Incertidumbre IUPAC 0,000002
√ 3
Incertidumbre Estándar 0,00000012
La incertidumbre estándar de cada elemento se obtuvo al dividir la incertidumbre IUPAC entre masa molar de Na es 22,9897700 g/mol.
. El resultado de la
Incertidumbre de la masa molar de Sodio Na.
μMM Na= 1∙0,0000012 =0,0000012 MM Na=22,9897700 ±0,0000012 g/mol Repetición 1: 9803=3985,7x289,02→x=2,387028627 x=2,387±0,077 mg/L Na , 1 mg/L Na, 1 =(2,387 mg/L Na)2501505 mg/L Na, 1 = mg/L Na
Calculo de la concentración de sodio en mg/L.
5967,5750879
Cálculo de la incertidumbre combinada.
6
μR
=5967,5 0,2,037787 250,0,004900 50,0,002000 0,5,00053000 0,1,00053000
μR =195, 4632306=195 + mg/L Na , 1 =5967,58 ±195,46 mg/L Na 250 50 + 2 , 3 87mg/L Na ∙ 1 5 + meq/L Na = 22,9897700g 1eq meq/L Na+ =259,5589256 ,46
Calculo de la concentración de sodio en meq/L.
Cálculo de la incertidumbre expandida.
2 UR1 =2259,5589256 22,0,09000012 897700 Umeq/LR1 =0,Na+0=259, 00027 558926±0,000027 meq/L Na+
Cálculo de la concentración de Na en mg/L presente en la muestra de AGUA DESIONIZADA.
Repetición 1: 0,070=3985, 7x289,02→x=0,000 x=0,000±0,000 mg/L Na , 1
