Determinación de hierro total en vinos mediante espectrofotometría UV Visible
RESUMEN.
El Fe que contiene el vino (aprox. 3 mg/L) se encuentra en dos formas: Fe 2+ o Fe3+. El ion Fe3+, en un medio moderadamente ácido, reacciona con KSCN, para dar lugar a una serie de complejos de color rojo: [Fe(SCN)] 2+; [Fe(SCN)2]+; [Fe(SCN)6]3-,… siendo los de estequiometria superior los más coloreados. Esta reacción es la base de la determinación espectrofotométrica de Fe en diferentes matrices, entre ellas los vinos blancos o poco coloreados. Previo a la determinación del contenido en hierro férrico y total en la muestra de vino proporcionada, se elabora la recta de calibración, cuyos resultados se ajustan a un coeficiente R muy satisfactorio (0’9999). Los valores de las absorbancias obtenidos en las muestras, -por duplicado- se han redondeado y el resultado obtenido está dentro de los rangos legales en cuanto al contenido en hierro de los vinos (hasta 8-10 mg/L para no provocar enturbiamientos).
INTRODUCCION TEÓRICA Los métodos ópticos de análisis químico se basan en la medida de la radiación electromagnética emitida por la materia o que interactúa con ella. Dichos métodos se clasifican en espectroscópicos y no espectroscópicos. Los primeros, que serán los tratados en esta práctica, se basan en la propiedad que tienen las moléculas, los átomos y los iones de absorber o emitir radiación electromagnética a una determinada longitud de onda. Todos ellos implican la medida de la radiación que es emitida, absorbida o transmitida al interactuar el campo eléctrico o magnético de la misma con los campos eléctricos o magnéticos de la materia. Cuando un átomo o una molécula absorben radiación electromagnética de longitud de onda λ, esto significa que absorbe un fotón de esa λ. Tras esta absorción la especie se excita pasando un electrón de un orbital del estado fundamental a un orbital excitado de energía superior. Los estados excitados de cada átomo o molécula dependen de su estructura electrónica y que los distinguen del resto. Como consecuencia, el espectro de absorción de cada sustancia constituye una verdadera seña de identidad de la especie. Los parámetros que se utilizan para describir este proceso son la Transmitancia que es la relación entre la luz incidente I 0 y la luz transmitida I y la Absorbancia que es el logaritmo decimal con signo negativo de la transmitancia: T = I/I0 A = -log10 T = log (I0/I). La ley de Lambert-Beer, que es una ley de proporcionalidad que se cumple para luz monocromática y disoluciones diluidas de las especies absorbentes (< 0’01 M), establece una relación directa entreala absorbancia (A) y la concentración de especies absorbentes (A): A = log (I0/I) = ε l C donde: A: absorbancia; ε: absortividad; l: longitud de la trayectoria del haz de radiación a través del medio o camino óptico; C: concentración del analito.
Determinación del hierro total en vinos mediante espectrofotometría UVvisible. Los metales que se encuentran en el vino pueden provenir de diversas fuentes: desde la propia uva hasta los propios recipientes de almacenamiento por la transferencia de metales que puede ocasionar el ataque de los ácidos presentes en el vino, pasando por las cesiones en el proceso de elaboración. Un alto contenido en metales puede provocar un enturbiamiento del vino ya que dichos metales se insolubilizan quedando afectado el color o limpidez del vino , originando lo que se denominan quiebras o depósitos. La cantidad máxima de Cu y Fe que tolerará un vino antes de que se produzca una quiebra depende del tipo de vino, composición y, hasta en cierta medida, de las condiciones de almacenamiento. Los límites máximos recomendados son de 0’5 ppm para el Cu y 6 ppm para el Fe. El Fe que contiene el vino (aprox. 3 mg/L) se encuentra en dos formas: Fe 2+ o Fe3+. El ion Fe3+, en un medio moderadamente ácido, reacciona con KSCN, para dar lugar a una serie de complejos de color rojo: [Fe(SCN)] 2+; [Fe(SCN)2]+; [Fe(SCN)6]3-,… siendo los de estequiometria superior los más coloreados. Esta reacción es la base de la determinación espectrofotométrica de Fe en diferentes matrices, entre ellas los vinos blancos o poco coloreados. espectroscopia UV-Visible se basa en el análisis de la de radiación electromagnética (en el rango de cantidad longitudes de onda del ultravioleta y visible) que puede absorber de cantidad o transmitir una muestra en f unción de la sustancia presente. La
La absorción selectiva de radiación de determinadas longitudes de onda por parte de un analito permite obtener el espectro de absorción característico del mismo, mediante un instrumento denominado espectrofotómetro. El primer paso a seguir en cualquier análisis cuantitativo mediante el tipo de espectroscopia que nos ocupa es la selección de la longitud de onda (λ) de media, que normalmente será la de máxima absorción del compuesto, dado que en las proximidades del máximo se cumple la ley de Lambert-Beer. Se procede a la medición de la absorbancia a la λ seleccionada de una serie de disoluciones patrón de concentración creciente y conocida para elaborar la recta de calibrado representando las absorbancias medidas frente a su correspondiente concentración (en el eje de abscisas). El ajuste se hará por el método de mínimos cuadrados y la pendiente de la recta será ε. Cuanto mayor sea la pendiente, mayor exactitud tendremos en la medida. Finalmente, llevando a la gráfica obtenida la absorción de una muestra determinada, nos proporcionará su concentración.
Fundamento químico de la determinación.
Se basa en la propiedad mencionada más arriba. En concreto:
Fe3+ + nSCN-
Fe(SCN)n(3-n)
donde n = 1, 2, 3,…, 6 La concentración de los reactivos y el pH del medio condicionan el predominio de cada uno de los posibles complejos, todos ellos de color rojo, cuya intensidad aumenta a medida que lo hace el número de coordinación.
En general, en un medio poco ácido y con concentraciones moderadas de tiocianato, se forma el complejo [Fe(SCN) 2]+ en cantidad significativa, manteniéndose estable durante, aproximadamente 45 minutos. No debe usarse ácido sulfúrico pues los iones sulfato forman complejos con los iones férricos, disminuyendo la intensidad del color a medida que aumenta la concentración de ácido. Usar, en su lugar, ácido nítrico o ácido clorhídrico. El espectro de absorción varía en el intervalo comprendido entre 470 y 530 nm, dependiendo del medio de reacción.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Instrumentación. •
Espectofotómetro de absorción UV-visible.
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Cubetas espetrofotométricas de 1,0 cm de paso óptico.
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Balanza analítica.
Material y reactivos. Material •
1 matraz aforado de 100 mL.
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2 matraces aforados de 50 mL.
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1 matraz aforado de 25 mL.
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10 matraces aforados de 10 mL.
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Pipetas graduadas de 5 mL y 10 mL.
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Gradilla con 20 tubos de ensayo.
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Vasos de precipitados.
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Cuentagotas.
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4 botes de plástico de 50 mL.
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Frasco lavador.
Reactivos •
Ácido clorhídrico concentrado 37%.
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Peróxido de hidrógeno 30%.
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Etanol 95%.
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Disolución partrón de ión férrico en medio nítrico 1000 mg/L, pH 1,3.
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Tiocianato potásico.
1. Preparación de las disoluciones de trabajo: o
o
o
o
50 mL de etanol 20% (v/v). Se prepara por dilución 1:5 (v/v) de etanol comercial con agua destilada. Disolución de peróxido de hidrógeno al 3% (v/v). Se prepara a partir de una dilución 1:10 (v/v) de la existente al 30% en el Laboratorio. Disolución patrón de hierro (disolución madre) de 50 mg/L, que se proporciona preparada. Disolución de tiocianato potásico 2’1 M. 25 mL.
2. Preparación de las disoluciones de patrón de hierro para la obtención del calibrado. o
o
A partir de la solución madre de Fe(III) se preparan 6 soluciones patrón de 10 mL de la siguiente forma: Se añade de forma secuencial a cada matraz aforado de 10 mL: 5’0 mL de disolución de etanol al 20% (v/v), 0’25 mL; 0’5 mL; 1’0 mL; 1’5mL; 2’0 ,L; 2’5 mL de la disolución patrón de hierro de 50 mg/L, respectivamente, para obtener disoluciones patrón que contengan 1’25; 2’5; 5’0; 7’5; 10’0 y 12’5 mg/L de hierro, respectivamente. A continuación se adiciona a cada matraz 1’0 mL de HCl concentrado, 5 gotas de disolución de H2O2 al 3% (v/v) y 1’0 mL de disolución 2’1 M de tiocianato potásico. Se enrasan los matraces con agua destilada y se agitan hasta homogeneizar. Se prepara, además, un blanco para la recta de calibrado (B 0) que contiene todos los reactivos excepto el hierro y se añaden de forma secuencial en el mismo orden que los anteriores.
3. Preparación de las muestras a analizar. o
La muestra procede de un envase “tetra brik”, ya abierto, de vino blanco.
o
Se va a determinar en ella el contenido total de hierro y el hierro trivalente.
o
o
o
Para el contenido total de hierro (M1) se toman 7’0 mL de la muestra de vino y se lleva a un matraz aforado de 10 mL. Se añade de forma secuencial 1 mL de HCl concentrado, 5 gotas de disolución de peróxido de hidrógeno al 3% (v/v) y 1 mL de disolución 2’1 M de tiocianato potásico. Se enrasa con agua destilada y se agita vigorosamente. Se prepara la muestra (M2) para el hierro trivalente, igual que la muestra anterior, exceptuando la adición de agua oxigenada.
4. Preparación del blanco de la muestra. o
Se preparan sendos blancos B 1 y B2, correspondientes a las muestras M1 y M2, de la misma forma que ellas, con los mismos reactivos a excepción de las muestras en sí.
Medidas espectrofotométricas.
Se ajusta el espectrofotómetro a una longitud de onda de 478 nm, usando una cubeta de 1 cm de paso de luz.
Se ajusta al 0 de absorbancia con el blanco de calibrado.
Se efectúan las lecturas con los patrones, comenzando con el de menor dilución, obteniéndose los siguientes resultados:
Abs 0,178 0,341 0,652 0,976 1,301 1,638
mg/L Patrón 1,25 2,5 5 7,5 10 12,5
Las muestras arrojan los siguientes resultados: Absorbanci a Muestra Media: 1 0.226 1ª Lectura 0.225 2ª Lectura 0.226 Muestra Media
2 1ª Lectura 2ª Lectura
0.114 0.114 0.113
RESULTADOS Y CÁLCULOS •
Curva de calibración, ecuación y coeficiente de regresión:
Pendiente: 0’1293. Ordenada en correlación: 0’9999. •
•
el origen:
0’0124; Coeficiente de
Contenidos en hierro:
Total: 1’65 ppm = 1’65 mg/L
Férrico: 0’79 ppm =0’79 mg/L que representa el 47’87% del hierro total.
Comentario a los datos obtenidos en relación con los datos de la bibliografía.
El valor de Fe total está dentro del rango permitido por la legislación vigente. Los valores de hierro (II) consultados oscilan entre 0’90 y 1’78 ppm frente a las 0’85 ppm de la muestra analizada. La variación observada en la muestra analizada puede ser debida, casi con toda seguridad, a la exposición del envase al aire que ha oxidado el hierro (II) a hierro (III) y ha aumentado, en consecuencia la proporción de éste. •
•
El valor de la absortividad (ε) es el valor de la pendiente de la recta. Convirtiendo las concentraciones a moles/L, obtenemos un ε de 7177’7 L. mol -1. cm-1 Límite de Detección
Desviación estándar 2’57.10-3. L.D. =7’71.10-3/0’1293 = 0’0596 mg/L = 1’067.10 -7 mol/L
BIBLIOGRAFÍA: Gallego Picó A.; Garcinuño Martínez, R.; Morcillo Ortega, M. Experimentación en Química Analítica. Uned. 2012.Skoog, D.A. et. al. Principios de Análisis Instrumental. 5ª Ed. MacGraw Hill. ISBN 9788448127756.
