Determinación de la alcalinidad mediante valoración rápida a doble punto final

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1 Malaspina 1-2 (2)_Malaspina 27/03/12 10:35 Página 93 Determinación de la alcalinidad mediante valoración rápida a doble punto final 1,2 Pelejero, C.; 2 Calvo, E.; 2 Fernández-Vallejo, P.; 2 Movilla, J.; 2 López Sanz, A.; 2 Fernández-Guallart, E.; 3 Horstkotte, B.; 4 Companys, B.; 4 Álvarez, M. 1 ICREA 2 CSIC Institut de Ciències del Mar (CSIC) 3 Instituto Mediterráneo de Estudios Avanzados (UIB-CSIC) 4 C.O. A Coruña. Instituto Español de Oceanografía Conceptos generales Existen diversas definiciones de la alcalinidad del agua de mar, un concepto cuyo desarrollo científico histórico se encuentra bien detallado en Dickson (1992). La alcalinidad hace referencia a la capacidad del agua para neutralizar ácidos, y puede definirse rigurosamente, según Dickson (1981), como el nombre de moles de protones equivalentes al exceso de aceptores de protones (bases formadas de ácidos débiles con una constante de disociación K a 25 o C y fuerza iónica cero) sobre donantes de protones (ácidos con K > ) en 1 kilogramo de muestra. Así entonces, la alcalinidad (A) de la muestra vendría determinada por: A = [HCO 3- ] + 2[CO 2 3- ] + [B(OH) 4- ] + [OH - ] + [HPO 2 4- ]+ 2[PO 3 4- ] + [H 3 SiO 4- ] + [NH 3 ] + [HS - ] + [H + ] [HSO 4- ] [HF] [H 3 PO 4 ] donde los puntos suspensivos hacen referencia a especies adicionales minoritarias básicas o ácidas que, o no se han identificado todavía, o existen en tan pequeñas cantidades que pueden considerarse despreciables. Finalidad. Campo de aplicación La alcalinidad es un parámetro muy importante y útil en el contexto del sistema del carbonato en agua de mar. Es uno de los parámetros de este sis - tema que se pueden medir y que, en combinación con otro parámetro adi- 93

2 Malaspina 1-2 (2)_Malaspina 27/03/12 10:35 Página LIBRO BLANCO DE MÉTODOS Y TÉCNICAS DE TRABAJO OCEANOGRÁFICO cional (e.g. ph, pco 2 o carbono inorgánico disuelto), permite determinar el resto de los parámetros. Análisis precisos de variaciones en la alcalinidad permiten, asimismo, realizar estimaciones sobre calcificación de los organismos marinos calcificadores. Tradicionalmente, el análisis de alcalinidad en agua de mar implica la realización de una valoración completa de la muestra mediante una solución de ácido clorhídrico y la posterior evaluación computerizada de la curva de valoración, para la determinación del punto final. Esta valoración puede realizarse en un matraz cerrado (método SOP 3a del manual de Dickson et ál. (2007)) o abierto (método SOP 3b del manual de Dickson et ál. (2007)). Estos métodos, no obstante, son relativamente lentos (~30 min por muestra), limitando críticamente su aplicabilidad en campañas oceanográficas con gran número de muestras. En el contexto de la Expedición Malaspina, realizaremos los análisis de alcalinidad mediante una valoración mucho más rápida (~ 2 a 3 min por muestra), siguiendo el método desarrollado por Pérez y Fraga (1987), modificado posteriormente por Pérez et ál. (2000). En estas referencias, el lector encontrará más información sobre el fundamento teórico y el campo de aplicación. Muy brevemente, esta técnica consiste en la realización de una valoración rápida a punto final en un matraz abierto, después de calibrar el electrodo a ph 4.4 (escala NBS), mediante la utilización de un tampón de ftalato potásico-bórax. Mediante la intercalación de medidas de material certificado (CRMs) entre los análisis de muestras, este método permite alcanzar precisiones y exactitudes del orden de 1 2 mmol/kg. Equipamiento y fungible necesario Muestreo Tubo de tygon o de silicona para el muestreo. En principio, se usará el mismo que para el muestreo para el análisis de oxígeno y de ph (véase los capítulos sobre muestreo y análisis de O 2 disuelto y ph en agua de mar). Frascos de 500 ml de borosilicato con tapón esmerilado. Cajas de plástico (estilo para cervezas) para almacenar los frascos de 500 ml (con espacio para unas 12 botellas por caja). Análisis Titrando 808 de Metrohm con bureta de 5 ml. Electrodos Aquatrode plus con sonda de temperatura Pt1000. Pipetas Knudsen de 195 ml. Bomba de vacío con trampa.

3 Malaspina 1-2 (2)_Malaspina 27/03/12 10:35 Página 95 BIOGEOQUÍMICA DEL OCÉANO: CARBONO, NUTRIENTES Y GASES TRAZA 95 Matraces (erlenmeyers) de valoración. Imanes. Matraz aforado de 5 l, con divisiones de ml antes y después de la marca de 5 l, por si nos pasamos o no llegamos a este volumen. Termómetro de varilla. Ordenador portátil para operar el Titrando desde él. El titrando también se puede controlar desde teclados táctiles específicos, pero es más cómodo trabajar desde el portátil, tal y como haremos en la Expedición Malaspina. 2 bidones de agua subestándar de 25 l. Soporte y pinza para la pipeta Knudsen. Cinta aislante para unir el electrodo y la bureta del Titrando una vez corten bien. Cinta americana y cordinos para trincar bien el bidón, equipos, etc. Bolsas de basura negras para tapar el bidón de 25 l. Reactivos y preparación de soluciones Productos químicos necesarios: Solución comercial de electrolito (KCl) para llenar los electrodos, en concreto KCl 3 mol/l Metrohm, botella de 250 ml Ref.: Jeringas de Fixanal con 0.5 moles de HCl certificados (Riedel-de- Haën). Tetraborato de sodio decahidratado (Na 2 B 4 O 7 10H 2 O). Ftalato potásico (C 8 H 5 KO 4 ). Preparación de la solución de ácido clorhídrico para las valoraciones La solución de HCl la prepararemos con agua destilada, (no Milli-Q), ya que esta última normalmente contiene microburbujas generadas durante el proceso de purificación. Enjuagaremos antes el matraz diversas veces con agua destilada para eliminar restos de HCl que hayan podido quedar de la solución anterior. Siguiendo las instrucciones del producto comercial Fixanal, abriremos una jeringa de 0.5 moles de HCl certificado y lo introduciremos en el matraz aforado de 5 litros para obtener una disolución de HCl 0.1 molar. Añadiremos el HCl (jeringa) sobre cierto volumen de agua destilada en el matraz, continuaremos pasando agua a través de la jeringa hasta casi llenar el matraz, y enrasaremos a 5 l o muy cerca (zona de divisiones de ml marcadas), apuntando el volumen exacto. Mediremos la temperatura con el termómetro de varilla, y la apuntaremos. Con este dato y el del volumen se podrá calcular, durante el

4 Malaspina 1-2 (2)_Malaspina 27/03/12 10:35 Página LIBRO BLANCO DE MÉTODOS Y TÉCNICAS DE TRABAJO OCEANOGRÁFICO análisis de datos (hoja excel y macros ya preparados), la concentración exacta de HCl teniendo en cuenta los cambios de dilatación debidos a la temperatura. Agitaremos bien la solución y la dejaremos reposar, preferiblemente un día como mínimo. En el caso concreto de la Expedición Malaspina, suponiendo que analizamos 14 profundidades de la columna de agua, por duplicado, añadiendo 3 CRM y 10 aguas subestándar, y consumiendo unos 5 ml de solución de HCl por valoración, implica que los 5 l de solución alcanzarán para unos 25 días (200 ml de solución por día). En cada leg, por lo tanto, se deberán preparar aproximadamente dos veces las soluciones de HCl. Podemos apurar el HCl hasta el final, pero es importante no terminarlo durante el análisis de una tanda. Por lo tanto, si ya queda poco, mejor hacer de nuevo antes de empezar la tanda. De hecho, ya que hay que dejarlo reposar durante al menos un día, preveer con antelación la cantidad de ácido que se va a necesitar para procesar la siguiente tanda de muestras. Preparación de la solución tampón de ftalato potásico-bórax para la calibración del electrodo a ph 4.4 En el contexto de la Expedición Malaspina, prepararemos cantidad suficiente de este tampón para toda la campaña antes de su inicio, y la almacenaremos en botellas pyrex de 100 o 200 ml, que guardaremos en el frigorífico. Este tampón lo prepararemos con agua sin CO 2, utilizando agua de mar ya valorada después del análisis de alcalinidad, que dejaremos una noche burbujeando con nitrógeno para eliminar cualquier traza de CO 2. Disolveremos 1,5257g de bórax (tetraborato de sodio decahidratado, Na 2 B 4 O 7 10H 2 O) y 4,085g de ftalato potásico (C 8 H 5 KO 4 ) en 1 l de agua sin CO 2, y agitaremos. Agua subestándar para el bidón de 25 l El primer bidón se llenará una vez el barco ya esté situado a mar abierto, para conseguir aguas con menos influencia costera y menor carga en nutrientes inorgánicos. Llenaremos el bidón con agua del sistema en continuo, y lo cubriremos con una bolsa de basura negra, para evitar procesos de fotosíntesis. En principio debería dejarse equilibrar 2 días antes de su uso. Por ello, utilizaremos dos bidones de 25 l, para poder llenar un segundo con tiempo para que se equilibre cuando hagamos cambio de bidón.

5 Malaspina 1-2 (2)_Malaspina 27/03/12 10:35 Página 97 BIOGEOQUÍMICA DEL OCÉANO: CARBONO, NUTRIENTES Y GASES TRAZA 97 Descripción de la técnica Muestreo Etiquetaremos adecuadamente los frascos con un número fijo, que luego relacionaremos en cada caso con cada estación o cast y el número de la Niskin, a través de un estadillo (utilizaremos celo o cinta blanca de electricista que no se despega y se escribe bien, los rotuladores indelebles se borran). Si se rompiera alguna botella la podríamos sustituir por los CRM vacíos, tras haber retirado la grasa del cuello y del tapón. Colocaremos la caja de plástico con todos los frascos en un lugar no peligroso donde no se rompan ni tropiece la gente con ellos. Las muestras de agua de mar para alcalinidad las tomaremos justo después del muestreo de ph, que se toma justo después del muestreo para oxígeno disuelto. Teniendo la manguera de muestreo del oxígeno disuelto en el pitorro de la botella Niskin, colocaremos el otro extremo del tubo en el fondo del frasco de 500 ml. Abriremos la botella Niskin y enjuagaremos los frascos y el tapón dos veces con el agua de la Niskin. Tomaremos la muestra llenando el frasco hasta arriba, dejando rebosar al menos 1/3 de la botella, e intentando evitar la formación de burbujas. Cerraremos la Niskin. Cerraremos bien el frasco y guardaremos, si es posible, en la oscuridad. Antes de guardar las botellas y tras asegurarnos que están bien cerradas, es conveniente pasarles un poco de agua dulce por fuera para evitar la acumulación de sal en el tapón y cuello de la botella (podrían contaminar la muestra en el momento de abrirlas para su valoración). Dejaremos estabilizar las muestras un mínimo de 4 o 5 horas antes de analizar, para que se atemperen con el laboratorio. No fijaremos las muestras con HgCl 2, ya que estas se procesarán 1 o 2 días después del muestreo, como máximo. Con el fin de ahorrar CRM, conviene acumular un número importante de botellas y valorarlas todas el mismo día. NOTA: no se lavará nunca con agua dulce el interior de los frascos a menos que tengan mucho fouling en el fondo, o no se hayan utilizado en mucho tiempo.

6 Malaspina 1-2 (2)_Malaspina 27/03/12 10:35 Página LIBRO BLANCO DE MÉTODOS Y TÉCNICAS DE TRABAJO OCEANOGRÁFICO Valoración con el Titrando CALIBRACIÓN DEL ELECTRODO CON EL TAMPÓN DE PH 4.4 Antes de empezar los análisis deberemos sacar el tampón de ph 4.4 de la nevera para que se estabilice a temperatura ambiente (unos 20 minutos). Dejaremos inicialmente el electrodo del Titrando sumergido en el tampón viejo del día anterior unos 15 minutos. Abriremos antes el taponcillo del electrodo (al final del análisis deberemos acordarnos de cerrarlo de nuevo). Una vez el tampón nuevo esté estabilizado a temperatura ambiente, dejaremos el electrodo del Titrando sumergido en el tampón de ph 4.4 unos 20 minutos para que se estabilice. Apuntaremos la temperatura del laboratorio. Encenderemos el ordenador portátil, conectaremos el Titrando al portátil por USB, y abriremos el programa TIAMO. Iremos a la opción [Method]. En File, open, buscaremos el método CAL. Iremos a la opción [Workplace]. Introduciremos la identificación y el método CAL. Con el electrodo sumergido en el tampón de ph 4.4, le daremos al Start en el programa de calibración. Obtendremos el valor de la temperatura, el ph y el potencial. El programa ya tiene memorizada la tabla de la relación ph vs T, obtenida a partir de la ecuación publicada por Pérez et ál. (2000), ph NBS = ( T-25 ). VALORACIÓN Agitaremos el matraz de ácido clorhídrico. Desde el portátil, cerraremos el método de calibración (opción [Method], Close el método CAL. Abriremos el método alcalinidad (opción [Method], File, open y buscaremos el método alcalinidad. Iremos a la opción [Workplace]. Entraremos los siguientes datos: Identificación 1: fecha. Identificación 2: Estación y número de botella. Método: alcalinidad. Colocaremos bien la bureta y el electrodo para que corte bien, y la valoración tarde entre 2 y 3 minutos. La punta de la bureta debe quedar próxima al electrodo, de manera que este sea muy sensible a la adición de HCl. Una vez el sistema corta bien, fijaremos la posición

7 Malaspina 1-2 (2)_Malaspina 27/03/12 10:35 Página 99 BIOGEOQUÍMICA DEL OCÉANO: CARBONO, NUTRIENTES Y GASES TRAZA 99 del electrodo y la bureta con cinta aislante, para que no se nos mueva la configuración entre muestra y muestra. El volumen de agua a valorar será siempre constante, y lo obtendremos mediante succión con una pipeta Knudsen (de volumen calibrado) conectada a una bomba de vacío. Antes de empezar a realizar valoraciones deberemos familiarizarnos con el grado de succión de la bomba, para evitar turbulencias y burbujeos durante la extracción de muestra (es importante abrir la llave poco a poco). Cuando introduzcamos la muestra succionada en la pipeta dentro del matraz de valoración, tocaremos la pared superior del matraz (no la muestra), y esperaremos siempre el mismo tiempo al final (e.g. 1 segundo). Es conveniente que el llenado se realice siempre de la misma manera, para tener volúmenes lo más reproducibles posible. Una vez depositada la muestra, limpiaremos la punta de la pipeta con papel de laboratorio. Entre muestra y muestra, nunca lavaremos el electrodo. Para empezar a valorar la solución en el matraz, provisto de un imán, le daremos al botón start. Las primeras valoraciones las haremos con agua del continuo (podemos llenar una botella de agua mineral de 1.5 l, despacio evitando el burbujeo), hasta que corte bien, y obtengamos una buena reproducibilidad en los volúmenes de HCl utilizados para llegar a los dos puntos finales. Durante estas primeras valoraciones, aprovecharemos para eliminar cualquier burbuja de aire que haya podido quedar atrapada en el sistema de succión de HCl, tocando un poco los tubos para que vayan saliendo. Opcionalmente, también existe una función para realizar un lavado de la bureta mediante la expulsión de una cantidad de HCl (en workplace, abrir la pestaña Tools, ir a Manual control, Dosing device 1, prepare y presionar START. Poner la bureta en una jarrita, dejar que complete 2 o 3 ciclos y presionar STOP ). Para que corte bien y haga la valoración entre 2 y 3 minutos, puede ser importante cambiar el volumen inicial de HCl que añade el titrando, que se puede modificar mediante el software del equipo ( Main conditions, Start conditions, cambiar el valor y, muy importante, grabar ). Dependiendo de la alcalinidad de cada zona oceánica, puede que debamos cambiar este volumen inicial a lo largo de la campaña o de cada transecto. De hecho, a veces es incluso necesario ajustarlo en la misma estación, cuando hay mucha diferencia entre aguas profundas y superficiales). Como indicación, el ph resultante después de añadir el volumen inicial debe ser próximo a 5. Es importante observar el valor de ph que nos da el electrodo cuando empieza la valoración. Si, por equivocación, estamos valorando una muestra ya valorada, lo veremos así rápidamente. En este caso, parar Stop inmediatamente, ya que el sistema continuaría aña-

8 Malaspina 1-2 (2)_Malaspina 27/03/12 10:35 Página LIBRO BLANCO DE MÉTODOS Y TÉCNICAS DE TRABAJO OCEANOGRÁFICO diendo HCl sin parar, al no alcanzar el punto final (según como se haya programado en sistema, puede saltar una pantalla avisándote si pones una muestra ya valorada). Una vez corte bien, valoraremos cuatro muestras de agua substandard del bidón de 25 l y, si obtenemos buena reproducibilidad, pasaremos ya a los CRM. Si no, podemos pasar alguna muestra más de agua subestándar hasta obtener buenos resultados. Valoraremos tres CRM, para lo cual, seguramente, no bastará solo con una botella. Valoraremos las muestras de la estación. Al final de la secuencia, valoraremos de nuevo 3 muestras de agua subestándar del bidón, para poder corregir posibles derivas. Si, por alguna razón, tenemos que parar a media tanda, es conveniente pasar siempre 4 o 5 muestras de agua subestándar del bidón, para hacer los cálculos de deriva al final. Y antes de continuar los análisis después de la pausa, también pasaremos 4 o 5 muestras del agua subestándar (es conveniente hacer turnos y evitar así paradas largas, siempre que las condiciones lo permitan). Si analizamos dos estaciones seguidas, también pasaremos 2 o 3 muestras de agua del bidón entre estación y estación. Después de valorar cada muestra, vaciaremos el contenido del matraz vigilando no perder el imán, para lo cual nos ayudaremos con otro imán. Al terminar la tanda de análisis, si no hay peligro de derrame por el movimiento del barco, podemos dejar el electrodo sumergido en la solución tampón hasta la próxima tanda de análisis, con el tapón cerrado para que no se evapore el electrolito. CAMBIO DEL AGUA DEL BIDÓN Cambiaremos el agua del bidón de 25 l cuando el nivel esté aproximadamente por debajo de 1/3 de su capacidad. Cuando lo hagamos, analizaremos 5 o 6 subestándares viejos seguidos de 2 o 3 CRM, y de 5 o 6 substandards nuevos. CAMBIO DE LA SOLUCIÓN DE HCI Conviene hacerlo en un día diferente que el cambio del subestándar, al menos con dos días de diferencia. Lo haremos analizando primero 5 muestras de agua subestándar con el HCl viejo, después de las cuales cambiaremos la solución de HCl, lavaremos la bureta desde la opción Configuration del software Tiamo, y analizaremos 3 o 4 muestras de cualquier agua de mar, seguidas de 5 muestras de substandard y 2 o 3 muestras de CRM.

9 Malaspina 1-2 (2)_Malaspina 27/03/12 10:35 Página 101 BIOGEOQUÍMICA DEL OCÉANO: CARBONO, NUTRIENTES Y GASES TRAZA 101 Control de calidad Determinación de la exactitud de las medidas La exactitud de las medidas se evalúa siguiendo la evolución temporal de los análisis de CRM de cada lote de análisis de muestras. Se compara el valor medido con el valor certificado, la diferencia no debe ser mayor de 2 mmol kg -1. La exactitud puede calcularse como la media de las diferencias entre los valores de alcalinidad medidos y certificados de las CRM de todos los lotes de cada leg de Malaspina. Ver el material del apéndice en Álvarez et ál. (2009). Determinación de la reproducibilidad de las medidas La reproducibilidad se evalúa de dos modos distintos: 1) Análisis de alcalinidad de muestras (unas 5) tomadas de la misma botella preferiblemente de aguas profundas, que son las más estables, por ejemplo una botella de m de profundidad, o la más profunda de la roseta. Esto se podría hacer dos veces en cada leg. 2) Análisis de alcalinidad de muestras tomadas de distintas botellas (de 2 a 5) pero cerradas a la misma profundidad en aguas profundas. Este ejercicio es poco probable que se pueda realizar en Malaspina donde la disponibilidad de agua y tiempo están muy ajustados. 3) Cada muestra se analiza dos veces por lo tanto tendremos una media y una desviación estándar para cada muestra dentro de cada lote de análisis. Estas desviaciones estándar dan una idea de la reproducibilidad para cada lote y estudiándolas en conjunto para cada leg. Referencias ÁLVAREZ, M. et ál «Estimating the storage of anthropogenic carbon in the subtropical Indian Ocean: a comparison of five different approaches». Biogeosc. 6: DICKSON, A. G «An exact definition of total alkalinity and a procedure for the estimation of alkalinity and total inorganic carbon from titration data». Deep Sea Res. A 28: DICKSON, A. G «The development of the alkalinity concept in marine chemistry». Mar. Chem. 40: DICKSON, A. G., C. L. SABINE, J. R. CHRISTIAN (eds.) Guide to best practices for ocean CO 2 measurements. PICES Special Publication 3, 191 pp. PÉREZ, F. F., F. FRAGA «A precise and rapid analytical procedure for alkalinity determination». Mar. Chem. 21: PÉREZ, F. F., A. F. RÍOS, T. RELLÁN, M. ÁLVAREZ «Improvements in a fast potentiometric seawater alkalinity determination». Cienc. Mar. 26:

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