Fundamento teórico El fundamento más elemental de los métodos espectrométricos es la Teoría Cuántica, propuesta en 1900 por Max Planck, que postula que los átomos, iones y moléculas sólo pueden existir en ciertos estados discretos, caracterizados por cantidades definidas de energía de modo que cuando una especie cambia su estado, absorbe o emite una cantidad de energía exactamente igual a la diferencia de energía entre los dos estados. Así pues, cuando la radiación atraviesa una capa de un sólido, un liquido o un gas, ciertas frecuencias pueden eliminarse selectivamente por absorción, mediante la transferencia de energía electromagnética a los átomos, iones o moléculas que componen la muestra. En el caso de la espectroscopia de absorción atómica serán los átomos los que absorban esa energía en forma de radiación. Ésta radiación absorbida se emplea en cambiar el estado de los electrones del átomo de su estado fundamental a uno excitado. Para lograr esta transición el electrón necesita según la Teoría Cuántica una cantidad determinada y característica de energía para cada elemento, lo cual permite caracterizar los componentes de la muestra. Para lograr una radiación de las características necesarias la fuente más común son las lámparas de cátodo hueco. Estas lámparas consisten en un ánodo de wolframio y un cátodo cilíndrico fabricado con el metal que se va a analizar, cerrados herméticamente en un tubo de vidrio lleno con argón o neón a una presión de 1 a 5 mmhg. En este caso como se desea determinar la concentración de hierro en la muestra el cátodo será de hierro. Para el análisis de absorción es necesario que el metal se encuentre en estado atómico. Existen varias formas para conseguirlo, en este caso se utiliza un atomizador con llama. Éste consiste en nebulizar una disolución de la muestra mediante un flujo de gas oxidante mezclado con gas combustible para transportarla a una llama donde se produce la atomización. Es en la llama donde se desarrolla la etapa más delicada del proceso y es la que suele limitar la precisión del método. Una vez el analito está atomizado en la llama, se hace pasar por ella el haz de radiación proveniente de la lámpara de cátodo hueco de hierro y se mide la fracción de energía absorbida por la muestra. 3
Para el análisis de datos se utilizan dos términos Sea P la potencia antes de que el haz haya atravesado la muestra y p la potencia mediada en el detector tras el paso por la muestra, se define Transmitancia: T = p/p A partir de la cual se calcula el otro término usado en las medidas espectrométricas, la Absorbancia se define: A = - Log T Finalmente la Ley de Beer relaciona la absorbancia y la concentración del analito: Donde: A = εbc b: Camino óptico a través del medio C: Concentración del analito ε: Absortividad El coeficiente de proporcionalidad es la llamada absortividad cuyas unidades dependen de las usadas para b y para C. Es muy común que b se de en cm y la concentración en g/l; en este caso las unidades de ε son l/g cm. El espectrofotómetro proporciona al investigador datos de absorbancias. Para la determinación de la absortividad es necesaria la construcción de una recta de calibrado. Finalmente; los métodos espectrométricos presentan interferencias. Dichas interferencias se pueden clasificar en dos tipos: -.Químicas -.Espectrales 4
Las interferencias espectrales se producen cuando la absorción de una especie interferente se solapa o aparece muy próxima a la absorción del analito, lo cual hace que su resolución por el monocromador resulte imposible. Estas interferencias se dan también debido a la presencia de productos de combustión, que poseen bandas de absorción anchas, o en forma de partículas, que dispersan la radiación. Ambos dan lugar a errores positivos, ya que disminuyen el haz de luz. Las interferencias químicas son más frecuentes y se pueden evitar o minimizar escogiendo las condiciones de trabajo adecuadas. Existen en la actualidad evidencias de que en la llama se desarrollan procesos que están próximos al equilibrio termodinámico. Los de mayor interés a la hora caracterizar las interferencias son los equilibrios de disociación, ionización y formación de compuestos poco volátiles. Desarrollo En la práctica se va a proceder al análisis de la concentración de hierro en vinos, para lo cual se va a utilizar la espectrofotometría de absorción atómica. Para analizar las posibles interferencias se utilizarán 2 métodos de calibrado: a) Recta de calibrado b) Método de adición estándar Se prepararán dos rectas de calibrado diferentes: una en agua destilada y otra utilizando como disolvente una disolución hidroalcohólica al 10% en etanol, 500 mg/l de calcio y 0,5 ml de ác. fosfórico concentrado. Para el patrón primario se han de preparar 5 disoluciones de concentraciones que van desde 0,5 mg/l hasta 4 mg/l Una vez preparadas todas las disoluciones se toman los datos con el espectrofotómetro. Esta es una fracción del tiempo empleado en la práctica muy pequeña ya que la toma de datos es muy sencilla, basta con colocar dentro del matraz que contiene la disolución a analizar el capilar que proviene del atomizador y esperar a que la medida se estabilice. Una vez hecho esto se obtienen los siguientes datos: Recta hidroalcohólica Recta acuosa Adición estándar Conc mg/l Absorbancia Conc mg/l Absorbancia Conc mg/l Absorbancia 0,5 0,003 0,5 0,003 0,5 0,008 1 0,006 1 0,006 1 0,011 2 0,011 2 0,012 2 0,017 3 0,016 3 0,017 3 0,023 4 0,021 4 0,023 4 0,028 muestra 0,006 muestra 0,005 5
Determinación de la concentración de Fe en la muestra * Recta de calibrado hidroalcohólica: 0,025 0,02 y = 0,0051x + 0,0007 R 2 = 0,9994 Absorbancia 0,015 0,01 0,005 0 0 1 2 3 4 5 Concentración mg/l Utilizando la recta de regresión se puede calcular la conc. de hierro en la muestra: Conc = 1,04 mg/l *Recta de calibrado acuosa: 0,025 0,02 y = 0,0057x + 0,0003 R 2 = 0,9991 Absorbancia 0,015 0,01 0,005 0 0 1 2 3 4 5 Concentración mg/l 6
Al igual que en el caso anterior basta con interpolar para determinar la concentración de hierro en la muestra: Con = 0.824 mg/l *Patrón primario 0,03 0,025 y = 0,0058x + 0,0053 R 2 = 0,9987 Absorbancia 0,02 0,015 0,01 0,005 0 0 1 2 3 4 5 Cantidades añadidas de vino En este caso la concentración se calcula hallando el valor absoluto del punto de corte de la recta de interpolación con el eje de las x: Conc = 0.913 mg/l Finalmente hay que tener en cuenta que el analito se encuentra diluido 10 veces en la muestra, por lo que las concentraciones finales son: Concentración mg/l Recta acuosa 8.24 Recta hidroalcohólica 10.4 Adición estándar 9,13 7
Comentario de los resultados Si se observan los resultados se ve que en la recta acuosa se produce un error por defecto debido probablemente a la existencia de interferencias químicas, como las originadas por los citratos y los silicatos, ya que ambos reaccionan con el hierro El valor dado mediante el uso de la recta hidroalcohólica presenta un error por exceso debido a que al añadir alcohol y ac fosfórico se producen en la combustión subproductos que absorben energía originando así el consiguiente error por exceso. Además la absorbancia sube debido a que en el medio ácido proporcionado por el ac. fosfórico el calcio forma complejos con los citratos, de forma que hay más hierro libre en la muestra. Finalmente el valor hallado utilizando el método de adición estándar parece el más adecuado ya que, intuitivamente se aprecia que el hecho de que las medidas de calibrado se realicen en el seno de la matriz de la muestra origina una disminución de las interferencias. Interferencia de los citratos Los citratos reaccionan con el hierro III formando compuestos muy estables, por ejemplo el citrato forma con el hierro un complejo quelato cuyo pk es de 25. Esto origina una disminución de la presencia de hierro libre en la muestra y por tanto un aumento de la energía que llega al detector, lo que se traduce en una concentración de hierro menor. Para su neutralización se añade al medio calcio en medio ácido ya que a bajo ph el ac. cítrico se presenta completamente protonado de forma que sólo el calcio reacciona con él. Bibliografía -.Principios de análisis instrumental. Skoog, Holler, Nieman. Ed Mc Graw Hill -.Análisis químico cuantitativo. Daniel C. Harris. Ed Reverté. 8