TURBIDIMETRÍA INTRODUCCIÓN Cuando la radiación electromagnética interactúa con la materia además de la absorción y emisión de radiación pueden presentarse otros procesos, siendo uno de los más importantes la dispersión de la radiación electromagnética, la cual puede clasificarse en dos tipos: (1) dispersión elástica, donde la radiación dispersada tiene la misma energía que la radiación incidente; y (2) dispersión no elástica, donde la radiación dispersada puede tener mayor o menor energía que la radiación incidente. Ambos procesos tienen muchas aplicaciones analíticas. Los métodos de dispersión elástica se han utilizado desde hace tiempo en los análisis por turbidimetría y nefelometría para determinar la concentración de partículas en una suspensión. En los métodos turbidimetricos se mide la disminución en la radiación transmitida que resulta de la dispersión de la luz por partículas. En los métodos nefelométricos se mide directamente la intensidad de la radiación dispersada.
DISPERSIÓN DE RADIACIÓN La dispersión de la radiación electromagnética es la base de la nefelometría y la turbidimetría. Cuando un haz de radiación electromagnética incide sobre una pequeña partícula, ésta experimentará una perturbación intensa ocasionada por los campos magnéticos y eléctricos oscilantes de la radiación. En efecto mientras esta pasando la radiación, la partícula se encuentra en un fuerte campo, cuya polaridad se alterna con la frecuencia de la radiación. Si la partícula es polarizable o sea, si las cargas dentro de ella pueden separarse bajo la influencia del campo, las cargas inducidas en la partícula también oscilarán cuando el campo cambie de polaridad. Este efecto se ilustra en la Fig. 1., en la cual se muestra una pequeña partícula que tiene un dipolo inducido oscilante originado por una onda electromagnética que está pasando. El dipolo inducido oscilante en la pequeña partícula produce un campo propio que oscila a la misma longitud de onda o frecuencia que la radiación incidente (misma energía). Este campo producido por el dipolo oscilante actúa como una fuente de radiación propia, así que radiación de la misma longitud de onda es emitida en en todas direcciones a partir de la partícula (radiación secundaria), esta es una radiación dispersa y tal efecto se denomina dispersión Rayleigh (elástica). Aunque este este tipo de radiación secundaria también puede utilizarse para explicar la reflexión y la refracción de la luz, el criterio necesario para el término dispersión es que las partículas tengan dimensiones de aproximadamente el mismo orden de magnitud o menor que la longitud de onda de la radiación incidente y que las partículas estén distribuidas en un medio de índice de refracción diferente al propio. Para partículas más grandes (mayores que 2 2), el análisis ondulatorio demuestra que solo ocurre reflexión y refracción. La tabla 1 indica aproximadamente el tamaño de partícula que produce dispersión en varias regiones del espectro electromagnético.
Tabla 1. Partículas que producen dispersión en regiones de diferentes longitudes de onda. Radiación incidente. (m)
Región espectral
Máximo tamaño (m)
Tipo de agregado
10
Infrarrojo
15
Grandes partículas coloidales
0,5
Visible
0,75
Partículas coloidales, macromoléculas
0,001
Rayos X
0,002
Pequeñas moléculas, átomos
Todas las formas de la materia pueden originar dispersión de la luz. Por ejemplo, la dispersión de la luz por los gases es observada en el aire y ello explica el color azul del cielo. La dispersión de la luz también ocurre en líquidos y sólidos puros, pero su aplicación analítica más importante es, la dispersión en soluciones de macromoléculas o en partículas suspendidas.
NEFELOMETRIA Y TURBIDIMETRIA Se denomina turbidez a la propiedad óptica de una muestra que hace que la radiación incidente sea dispersada y absorbida más que transmitida en línea recta a través de la muestra y es ocasionada por la presencia de materia suspendida en un líquido. Hay dos métodos para medir la turbidez de una muestra: la turbidimetría y la nefelometría, ambas permiten determinar la cantidad de material sólido en una suspensión coloidal 3 (aquella en la cual el tamaño de partícula está comprendido entre 1 y 10 nonamétros) . Las dos técnicas difieren únicamente en la forma de medir la radiación; la medición de la intensidad de la luz trasmitida como una función de la concentración de la fases dispersa es la base del análisis turbidimétrico mientras que, la medida de la intensidad de la luz dispersada en ángulo recto con respecto a la radiación incidente es la base del análisis nefelometrico (del griego nefelo = nube), en resumen la diferencia está en el ángulo de medida de la radiación. En los análisis químicos por turbidimetría o nefelometría bajo condiciones favorables se obtiene precisiones comparables a los métodos colorimétricos al igual que una alta sensibilidad. Debido a la diferencia en el ángulo de medida, la turbidimetría es más adecuada para determinar concentraciones relativamente altas de partículas suspendidas, mientras que la nefelometría es más adecuada para determinar concentraciones muy bajas (suspensiones muy diluidas). Por ejemplo, si una determinada suspensión no produce una fuerte dispersión, la transmitancia estará alrededor del 95 al 98%, y la turbidimetría no puede utilizarse puesto que tendría que hacerse una comparación entre dos grandes cantidades de aproximadamente el mismo valor. En ese caso, la nefelometría será mucho más sensible y
precisa, puesto que la pequeña cantidad de luz dispersada sería medida contra un fondo negro. Por otra parte, para suspensiones más densas la turbidimetría es el método de elección puesto que ella puede medir exactamente pequeños cambios en la intensidad de la luz trasmitida cuando la intensidad absoluta es relativamente baja, mientras que las medidas nefelométricas bajo estas condiciones experimentan efectos de interferencias que tienden a saturar la curva de respuesta.
VARIABLES QUE AFECTAN LAS MEDIDAS DE LA RADIACIÓN La cantidad de radiación trasmitida o dispersada de la radiación incidente depende de: 1. La concentración de partículas (concentración de la fase dispersa). 2. La relación de índices de refracción de las partículas y el medio en el que se encuentran. 3. El tamaño y forma de las partículas. 4. La longitud de onda de la luz incidente. Obviamente debe haber una diferencia de índices de refracción entre la partícula y su medio ambiente si va a ocurrir reflexión o dispersión. La geometría de las partículas y la longitud de onda son variables particularmente importantes que se deben entender claramente y merecen una descripción más detallada.
Geometría de las partículas La variable más crítica para el éxito del análisis nefelométrico o turbidimétrico es el control del tamaño y la forma de las partículas, las cuales en una suspensión raramente son de tamaño uniforme. Por lo tanto, es extremadamente importante que todas las muestras y patrones de calibración tengan la misma distribución de partículas pequeñas, medianas y grandes. Esto, a su vez requiere que las muestras y los estándares sean preparados bajo condiciones idénticas, lo que frecuentemente no es una tarea fácil. Las siguientes condiciones deben controlarse cuidadosamente con el objetivo de preparar suspensiones razonablemente uniformes. 1. La concentración de los dos iones que se mezclan para producir el precipitado, así como las relaciones de las concentraciones de las soluciones. 2. La manera, el orden, el tiempo y la velocidad de mezcla. 3. Las cantidades de otras sales y sustancias presentes. 4. El tiempo permitido para el crecimiento de las partículas. 5. El pH. 6. La temperatura. Las variaciones en el crecimiento de las partículas es la causa más frecuente de error en la nefelometría y la turbidimetría. Generalmente se añaden surfactantes o agentes tensoactivos a las soluciones precipitantes para estabilizar el estado coloidal y evitar el crecimiento de grandes partículas debido a la aglomeración. Glicerol, gelatina y dextrina son las sustancias más utilizadas para realizar la función descrita anteriormente, ellos funcionan como
protectores de coloides siendo adsorbidos sobre la superficie de las partículas, interrumpiendo el crecimiento de las mismas y estabilizando su tamaño.
Concentración de la fase dispersa. Como se indico en la introducción, la radiación dispersada por una suspensión proporciona un método analítico útil. La cantidad de materia sólido suspendido en una suspensión coloidal puede determinarse midiendo ya sea la luz trasmitida (turbidimetría) o la luz dispersada (nefelometría). La elección entre esta técnicas no es crítica. El análisis nefelométrico es más sensible para suspensiones diluidas pero para suspensiones moderadamente densas o concentraciones relativamente altas de las partículas suspendidas, la turbidimetría es más adecuada. La turbidez o nubosidad producida por una suspensión está determinada aproximadamente por la siguiente ecuación: 3
S log Po / P
bcd
1
K
d
4
4
(1),
donde
S = turbidez (o poder de dispersión), análoga a la absorbancia. Po = intensidad de la radiación incidente P = intensidad de la radiación trasmitida b = espesor de la celda en la que se encuentra la muestra d = diámetro promedio de las partículas = longitud de onda de la radiación incidente 1
K = constante de proporcionalidad que depende de la naturaleza de la suspensión y el método de medición = constante que depende únicamente del método de análisis
Esta ecuación aproximada se cumple estrictamente en suspensiones muy diluidas. El hecho que la turbidez tenga una relación inversa con la cuarta potencia de la longitud de onda explica el hecho familiar que la luz azul es dispersada más fuertemente que la roja y por lo tanto para que el análisis sea más sensible en la región visible del espectro electromagnético debe realizarse preferiblemente a la longitud de onda de la luz azul (420 nm). Para cierta suspensión medida con radiación monocromática en un instrumento 1 determinado, de forma que , K , d y sean constantes, la ecuación anterior se puede escribir, S = Kbc (2)
La cual es análoga a la ley de Beer e indica que aparatos similares a los utilizados en colorimetría tales como fotómetros y espectrofotómetros son satisfactorios para el análisis nefelométrico y turbidimétrico y también que los resultados pueden ser calculados por procedimientos matemáticos similares; es necesario recalcar que para que esos instrumentos funcionen como nefelómetros, ellos deben estar provistos de un sistema que permita colocar la iluminación o radiación incidente a un ángulo de 90º con respecto a la dirección de observación. Se recomienda la construcción de curvas de calibración en ambos análisis puesto que la ecuación (2), que indica la relación entre las propiedades ópticas de la suspensión y la concentración de la fase dispersa es semi-empírica. Si la nubosidad o turbidez se va a reproducir, se debe tomar un gran cuidado en su preparación como se indico anteriormente, el precipitado debe ser muy fino de forma que no sedimente rápidamente. La intensidad de la luz dispersada depende del número y tamaño de las partículas en suspensión y con tal que el tamaño promedio de las partículas sea reproducible, es posible la aplicación del análisis nefelométrico o turbidimétrico.
APLICACIONES Análisis inorgánico: el uso más amplio de la nefelometría y la turbidimetría es determinar la claridad de todas las clases de agua y bebidas. La claridad y el brillo son características importantes de la calidad de los productos; la presencia de materiales suspendidos, aún en cantidades tan pequeñas que son invisibles en el embotellamiento se transforma en un sedimento desagradable después del embotellamiento y almacenado. Otros ejemplos incluyen la determinación de sulfato (como BaSO 4), carbonato (como BaCO3), cloruro (como AgCl), cianuro (como AgCN), etc. La determinación del sulfato se utiliza ampliamente y sirve para la determinación rutinaria de azufre total en carbón, coque, aceites, cauchos y otros materiales orgánicos.
Análisis orgánico: Aplicación al análisis de alimentos y bebidas constituye el objetivo primordial en esta sección. Análisis de turbidez de productos azucarados, claridad de jugos cítricos y varias bebidas alcohólicas.
Análisis bioquímico: La nefelometría ha sido utilizada para la estimación de proteínas y la determinación de enzimas, glicógeno además beta y gamma globulinas en el suero sanguíneo y el plasma, así como también la determinación de sulfato en la orina.
Monitoreo de corrientes continuas: La turbidimetría y la nefelometría son mecanismos muy importantes en el monitoreo continúo de corrientes de aire y agua. El polvo y el humo son monitoreados en el aire y cualquier forma de turbidez es monitoreado en diferentes tipos de aguas naturales. La automatización de medidas de turbidez es utilizada ampliamente en la industria petrolera. Un ejemplo de un análisis por turbidimetría es la determinación de sulfato de bario bajo condiciones que conducen a la formación de una suspensión coloidal. Tal suspensión se obtiene cuando una solución diluida del sulfato que contiene cloruro de sodio y ácido clorhídrico es mezclada con cloruro de bario sólido y sometida a agitación. El método es
válido a concentraciones tan bajas como una pocas partes por millón (ppm), pero es necesario ejercer un control estricto sobre todas las variables para obtener resultados consistentes, así como se indico anteriormente la cantidad y el tamaño de grano del cloruro de bario cristalino y la eficiencia y duración de la agitación debe ser uniforme tanto para los patrones como para la muestra. En la presente práctica este será el análisis que será llevado a cabo.
PARTE EXPERIMENTAL Determinación de la cantidad de sulfato en una muestra problema como MgSO 4.
A- DISCUSIÓN. La turbidez de una suspensión diluida de BaSO 4 es difícil de reproducir; por lo tanto es esencial seguir estrictamente el procedimiento experimental detallado posteriormente. La velocidad de la precipitación así como la concentración de los reactantes debe ser controlada añadiendo (después que todos los otros componentes estén presentes) cloruro de bario dihidratado puro de un tamaño de grano definido, su velocidad de disolución controla la velocidad de la reacción de precipitación. =
BaCl2(s) + SO4 (ac)
-
BaSO4(s) + 2Cl (ac)
Antes de la precipitación se añaden cloruro de sodio y HCl en solución a fines de inhibir el crecimiento de microcristales de BaSO 4 y también para mantener el pH óptimo y minimizar el efecto de cantidades variables de otros electrolitos presentes en la muestra sobre el tamaño de las partículas suspendidas de BaSO 4. Una solución de etanol-glicerol ayuda a estabilizar la suspensión como se indicó anteriormente. El recipiente de reacción debe agitarse suavemente con el objetivo de obtener un tamaño de partícula uniforme y cada recipiente debe ser agitado a la misma velocidad y el mismo número de veces. La muestra problema debe ser tratada exactamente igual que las soluciones estándares (patrones) y el intervalo entre el tiempo de precipitación y la realización de la medida debe mantenerse constante.
B- REACTIVOS. Solución estándar de sulfato (96 ppm). Solución acondicionadora: NaCl, HCl, glicerol y etanol disueltos en agua. BaCl2.2H2O (20 – 30 mesh).
C- PROCEDIMIENTO 1.Encienda el espectrofotómetro (Spectronic-20), para que la fuente de radiación empiece a calentarse, colocando la longitud en 420 nm. 2. Preparación de los patrones de sulfato.
a) Lave con agua destilada todos los instrumentos de vidrio que va a utilizar. b) Prepare patrones de 72,0 ppm; 67,2 ppm; 57,6 ppm; 48ppm; 28,8 ppm y 19,2 = ppm de SO4 a partir de una solución estándar de 96 ppm en balones aforados de 100 mL. 3. Preparación de la muestra problema. a) Disuelva la muestra sólida de sulfato que le será suministrada en un beacker y posteriormente trasvase a un balón aforado de 500 mL y añada agua destilada hasta alcanzar el aforo y agite aproximadamente 30 veces para homogeneizar la solución. b) Tome 10 mL de la solución anterior con una pipeta aforada, añádalos en un balón aforado de 100 mL, dilúyalos y afore. Agite alrededor de 30 veces para homogeneizar la solución. 4. Calibración del espectrofotómetro. Para la calibración del aparato se procede a ajustar el valor cero de porcentaje de trasmitancia (% T) con el portamuestra vacío (perilla izquierda). Para calibrar el 100% T se coloca en el portamuestra una celda con agua destilada y mediante el ajuste de la perilla derecha el aparato se lleva el valor indicado por la aguja hasta 100 en la escala de trasmitancia. 5. Preparación de las suspensiones patrones y muestra problema y determinación de su trasmitancia. a) Tome 25 mL de una muestra patrón y viértalos en un beaker de 100 mL. b) Añádale 5 mL de la solución acondicionadora al beaker mediante la utilización de una jeringa y coloque dentro del beaker un agitador magnético. c) Agite la mezcla durante dos minutos exactos. d) Al cumplirse los dos minutos, agregue 0,60 g de BaCl 2.2H2O para dar inicio a la formación de la suspensión de BaSO 4. Agite durante un minuto. e) Chequee la calibración del espectrofotómetro mientras transcurre el minuto anterior. f) Luego de transcurrido el minuto, cure un tubo de ensayo con la mezcla de reacción contenida en el beaker y luego llénelo 4/5 partes, limpie su superficie exterior, colóquelo en el portamuestra y determine el porcentaje de trasmitancia. g) Repita los pasos de a a f para los patrones restantes y la muestra problema. h) Recoja y limpie todo el material utilizado.
CALCULOS Haga la curva de calibración A vs C (ppm) y a partir de ella determine la concentración de la muestra problema. A partir de la concentración de la muestra problema y tomando en cuenta la(s) dilucion(es) determine la cantidad de sulfato en la muestra(g). Reporte su resultado como MgSO 4.
