FOTOMETRIA DE LLAMA I. INTRODUCCIÓN Se basa en que los átomos de numerosos elementos metálicos con suficiente energía, emiten dicha energía a longitudes de onda (λ) particulares que son específicas de cada elemento. La energía en la fotometría emisión de llama se suministra en forma de calor o energía térmica. Una determinada cantidad o quantum de la energía térmica es absorbida por un electrón de una órbita. Ese electrón excitado pasa a una órbita de energía superior más inestable, volviendo casi inmediatamente a su estado basal y emitiendo ese quantum de energía en forma de un fotón de una λ dada. En la llama sólo el 1% de los átomos presentes
experimentan esa transmisión y emisión de energía, siendo sus máximos representantes los elementos Na y K. Las llamas se clasifican en: a. Duras (Pequeña y caliente). Ej. Soplete de acetileno. b. Blandas (Más ancha y alcanza menos temperatura). Ej. Mechero Bunsen.
Color de la llama según el elemento emisor:
Ba: Verde claro Ca: Rojo – Anaranjado Anaranjado Cs: Rojo Claro
K: Violeta Li: Rojo intenso Na: Amarillo
Fuentes de emisión de llama Durante muchos años, las llamas se han utilizado para obtener los espectros de emisión por excitación de diversos elementos, y los más modernos espectrómetros de absorción atómica están adaptados para trabajar en la modalidad de emisión de llama. Sin embargo, las llamas no se utilizan mucho para esto, ya que la modalidad de absorción absorció n proporciona propo rciona resultados resultado s tan buenos o mejores en cuanto a exactitud, conveniencia y límites de detección para la mayoría de las determinaciones de un único elemento. Para análisis multielemental, las fuentes de plasma son bastante superiores a las llamas en la mayoría de los aspectos. Por ello, la espectrometría de emisión de llama actualmente tiene poca utilidad, excepto en la determinación de metales alcalinos y, ocasionalmente, de calcio. Es tos elementos elementos se excitan a temperaturas relativamente bajas para dar espectros que son notablemente sencillos y exentos de interferencias de otras especies metálicas. Los espectros de metales alcalinos constan de unas pocas líneas bastante intensas, muchas de las cuales cua les se encuentran enc uentran en la región re gión del de l visible y que permiten perfectamente perfect amente cuantificar las medidas de emisión. 1
Debido a esta simplicidad espectral, los fotómetros de filtros sencillos son generalmente suficientes para las determinaciones rutinarias de metales alcalinos y alcalinotérreos. Se utilizan llamas frías para eliminar la excitación de la mayoría de los otros metales. Como consecuencia, los espectros son sencillos, y se pueden utilizar filtros interferenciales par aislar la línea de emisión deseada. Varios fabricantes de instrumentación ofrecen fotómetros de llama diseñados específicamente para la determinación de sodio, potasio y, algunas veces, calcio en sangre, suero, orina y otros fluidos biológicos. Un típico instrumento para determinar sodio y potasio es un dispositivo de tres canales. Dos de los canales transmiten una línea de sodio y una línea de potasio, respectivamente; el tercer canal es para la radiación del litio, elemento introducido como patrón interno en una cantidad fija en todas las muestras y patrones. En las muestras que contienen.
Fotómetro de llama JENWAY, PFP7. Este instrumento (ver Figura 1) es un modelo de un solo canal y de baja temperatura diseñado para determinaciones de concentración de sodio, potasio, calcio, bario y litio. El sistema de seguridad para las fallas en la llama hacen de este equipo ideal para el uso en ambientes industriales y educacionales. El fotómetro de llama es esencialmente igual que cualquier otro equipo de llama, en el que puedan determinarse cuantitativamente ciertos iones metálicos cuando se atomizan de la solución, se conducen a un quemador y se excitan en una llama, para que produzcan una emisión espectral. Puesto que la densidad de la luz emitida por cada elemento depende principalmente de la concentración de sus átomos en la llama, en cualquier momento dado, la intensidad de la intensidad lumínica producida por un elemento determinado hace posible la determinación cuantitativa del contenido de dicho elemento.
a
b
Figura 1. a. Fotómetro de llama JENWAY, modelo PFP7; b. Diagrama esquemático del equipo. 2
II.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Tabla 1. Materiales y equipos de Laboratorio
Materiales de vidrio, insumos y reactivos Equipos 1. Beakers de 100 ml 1. Balanza analítica digital de alta precisión 2. Varillas agitadoras 2. Plancha de calentamiento 3. Embudos de vidrio o plástico 3. Fotómetro de llama 4. Matraces aforados de 100 ml 4. Calculadora científica 5. Bureta de 25 o 50 ml (*) 6. Pipetas de 2, 5 y 10 ml (**) 7. Papel de filtro Nº 1 8. HCl concentrado 9. Solución patrón de Calcio de 1000 ppm (*): Los patrones de la curva de calibración deben ser preparados con buretas. (**): Se utilizan para hacer diluciones, en caso de ser necesario (cuando la concentración de la muestra excede la concentración del último patrón medido).
DETERMINACIÓN DEL CALCIO, CON EL FOTÓMETRO DE LLAMA JENWAY PFP7. Principios Los procedimientos descritos son los desarrollados y usados por el Laboratorio de Investigación, Prof. Pérez, del Departamento de Procesos Químicos de la Universidad Politécnica del Oeste de Sucre Clodosbaldo Russián. El proceso para cuantificar la pureza del carbonato de calcio en la muestra. La primera norma usada está basada en la determinación de sodio y potasio en alimentos (COVENIN 844-78), usando el método de fotometría de llama. Este método se basa en la medición cuantitativa del calcio (Ca +2) presente en la muestra luego de su digestión en ácidos minerales (HCl conc.). Se usa una curva de calibración con patrones de calcio que van de 5 a 100 mg/L (como lo indica el manual del fotómetro). Este método es sumamente adecuado para analizar calcio ya que es muy específico de este elemento.
Operación Para manejar un fotómetro de llama, se necesita una fuente de aire comprimido con una presión de más de 10 libras, un depósito de propano o gas doméstico y un circuito eléctrico de 110 voltios. Hasta donde saben los autores, no puede determinarse el magnesio ni otros iones metálicos cuantitativamente, mediante este instrumento. La ventaja del instrumento es su sencillez de manejo. En un periodo relativamente corto se puede aprender a manejar el instrumento y establecer curvas de trabajo (Curvas de Calibración). Se puede manejar el instrumento mediante el método de intensidad directa o el de estándar interno. En el primer método, se utilizan sales metálicas simples para soluciones estándar, mientras que en el último caso, se añade una cantidad fija de litio tanto a la muestra como al estándar. No es necesario que la concentración de litio 3
del estándar interno sea exacta, pero sí es preciso que se use la misma concentración e igual sal de litio tanto en la muestra como en el eestándar. El método estándar interno es preferible para la mayor parte de los trabajos analíticos. Utilizando este método, se mantiene en un mínimo los efectos debido a las variaciones de la presión de gas, la presión del aire, los cambios de Viscosidad, las moléculas orgánicas, las sales y los ácidos inorgánicos. Se ha descubierto que para el análisis del Ca, K y Na en extractos de suelos y hojas de plantas cítricas, los resultados obtenidos con el Fotómetro de llama van de acuerdo con los obtenidos mediante procedimientos químicos estándar. Además de ahorrar tiempo, el método sirve también para ahorrar dinero, debido a los muchos reactivos que se precisan en otros procedimientos, pero que no son necesarios en la fotometría de llama.
Soluciones estándar y curvas de trabajo (Nota: usar agua desionizada o desmineralizada) 1.
Estándar de Calcio, 1000 ppm. Pésense 2,5000 g de carbonato de calcio seco. Disuélvase en una pe-
queña cantidad de ácido nítrico y dilúyase a un litro. Los cristales de calcita son una fuente conveniente para este estándar; pero es satisfactorio el carbonato de calcio de calidad de reactivo. 2.
Estándar de Litio, 1000 ppm. Disuélvase 9,94 g de nitrato de litio seco y dilúyase a un litro.
Consérvense todas las soluciones estándar en botellas de polietileno o plástico. La tabla 2 presenta las soluciones y sus concentraciones de los estándares utilizadas para constituir curvas de trabajo para el calcio. Una concentración de 25 ppm litio se usa en todas. Las soluciones estándar se constituyen mediante la dilución del volumen apropiado de soluciones normales en matraces aforados de 50 o 100 ml. Se realiza una curva de calibración de concentraciones teóricas (ppm teóricos = x) vs concentraciones experimentales (ppm experimentales = y), con el método de la regresión lineal se determina con ayuda de una calculadora los datos de la ecuación de la recta: y = Bx + A , donde B representa la pendiente de la recta, A es el corte con el eje y, además se debe determinar el coeficiente de regresión lineal r para estimar la linealidad de la recta (esto ocurre cuando r posee un valor muy cercano a 1). Se debe preparar siempre un blanco para luego ajustar o corregir los valores experimentales.
Tabla 2. Concentraciones de soluciones estándar y de soluciones utilizadas para establecer curvas de trabajo para sodio, potasio y calcio. Elemento Calcio
Concentración (ppm) de solución estándar 100
Soluciones usadas para obtener curvas de trabajo (ppm) 5, 10, 20, 40, 60, 80
Nota: El instrumento ya viene diseñado para ajustar la longitud de onda de trabajo ya que consta de un filtro de calcio. Las soluciones deben ser preparadas usando únicamente agua desmineralizada. 4
Procedimiento: Determinación de Calcio en una muestra de CaCO3 Niveles de pureza de Calcio (COVENIN: 844-78). Se usa una muestra sólida de CaCO3, se pesan exactamente 0,10 g de dicha muestra en una balanza analítica (por triplicado). Se transfiere el sólido a beakers de 100 ml y se disuelve con HCl conc. (entre 1 o 2 ml), se adicionan 50 ml de agua desmineralizada (libre de calcio). Se calientan en una plancha durante 5 min., se filtran y posteriormente se transfieren en matraces aforados de 100 ml para la medición con el fotómetro de llama. Se Calibra el equipo con la solución estándar más alta de la secuencia de soluciones usadas (Ver tabla 2) para buscar la máxima ganancia del equipo y se lleva a cero con agua desmineralizada. Se miden las soluciones patrones, luego el blanco y las muestras preparadas previamente. Usando la siguiente ecuación se puede determinar el % de Calcio de la muestra analizada.
% de Ca
mg/L (exp.) x V (L) x FD x 0,1 g/mg
Peso (g) de muestra
Donde: V(L): volumen de la muestra original en litros FD: Factor de dilución (se usa cuando se necesita una dilución de la muestra problema para ajustar en la curva de calibración, se usa si es necesario) 0,1: factor de conversión (se obtiene de la conversión de mg a g (0,001 g) y la fórmula de % (100)
BILIOGRAFIA 1. Chapman, H. y Pratt, P. 1973. Métodos de análisis para suelos, plantas y aguas. Editorial Trillas S.A. México. 1era edición en español. Págs. 132-137. 2. COVENIN. 1978. Alimentos - Determinación de Sodio y Potasio. (844-78). Comisión Venezolana de Normas Industriales. Caracas, Venezuela. 3. Pérez, C. 2015. Uso del carbonato de calcio de origen orgánico como materia prima en la elaboración de materiales para la industria de la construcción. Trabajo de grado presentado como requisito final para optar al título Magister Scientiarum en Gerencia Ambiental. UNEF A-Sucre. 4. Skoog, D.; Holler, F.J. y Nieman, T. 2001. Principios de Análisis Instrumental . Editorial McGRAWHILL/INTERAMERICANA DE ESPAÑA, S.A. Págs. 266-268. Material preparado por Profesor. Carlos Luis Pérez Astudillo (UPTOSCR) (
[email protected]) Cumaná, 20/02/2017
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