CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN AL ANÁLISIS INSTRUMENTAL

FACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS
QUÍMICA ANALÍTICA E INTRUMENTAL
Carreras: Ingeniería Agronómica
CAPÍTULO I
INTRODUCCIÓN AL
ANÁLISIS
INSTRUMENTAL
Capítulo I Introducción al Análisis Instrumental
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QUÍMICA ANALÍTICA E INTRUMENTAL
Carreras: Ingeniería Agronómica
INTRODUCCION AL ANALISIS INSTRUMENTAL
La Química Analítica trata acerca de los métodos de determinación de la composición
química de la materia. Un método cualitativo proporciona información respecto a las especies
atómicas o moleculares o a los grupos funcionales que existen en la muestra. Un método
cuantitativo, por otra parte, suministra información numérica como, por ejemplo, la cantidad
relativa de uno o varios de estos componentes.
 CLASIFICACIÓN DE LOS MÉTODOS ANALITICOS
Los métodos analíticos se suelen clasificar en clásicos o instrumentales. Esta clasificación
es en gran parte histórica, y los métodos clásicos precedieron en un siglo o más a los métodos
instrumentales.
1. Métodos clásicos
En los primeros años de la química, la mayor parte de los análisis se realizaban separando
los componentes de interés de una muestra (los analitos) mediante precipitación, extracción o
destilación.
En los análisis cualitativos, los componentes separados se tratan seguidamente con
reactivos originando así productos que podían identificarse por sus colores, sus puntos de
ebullición o de fusión, sus solubilidades en una serie de disolventes, sus olores, sus actividades
ópticas o sus índices de refracción. En los análisis cuantitativos, la cantidad de analito se
determina por medidas gravimétricas o volumétricas. En las primeras se determina la masa del
analito o la de algún compuesto producido a partir del mismo. En los procedimientos volumétricos
se determina el volumen o el peso de un reactivo estándar que reacciona completamente con el
analito.
Estos métodos clásicos para la separación y determinación de analitos se usan en muchos
laboratorios. Sin embargo, su grado de aplicación general está disminuyendo con el paso del
tiempo.
2. Métodos instrumentales
A mediados de los años treinta, o algo antes, los químicos empezaron a explotar otros
fenómenos distintos de los ya descritos, para la resolución de los problemas analíticos. Así, para
el análisis cuantitativo de una gran variedad de sustancias inorgánicas, orgánicas y bioquímicas
se empezaron a utilizar mediciones de las propiedades físicas de los analitos -tales como
conductividad, potencial de electrodo, absorción o emisión de la luz, razón masa a carga y
fluorescencia.
Además, algunas técnicas de separación cromatográficas muy eficaces
empezaron a reemplazar a la destilación, extracción y precipitación en la separación de mezclas
complejas como etapa previa a su determinación cualitativa o cuantitativa. A estos métodos más
modernos para separar y determinar especies químicas se les conoce, en conjunto, como
métodos instrumentales de análisis. .
Muchos de los fenómenos en los que se basan los métodos instrumentales se conocen
desde hace más de un siglo. Sin embargo su aplicación por la mayor parte de los químicos se
retrasó por falta de una instrumentación sencilla y fiable. De hecho, el crecimiento de los métodos
instrumentales modernos ha ido paralelo al desarrollo de las industrias electrónica e informática.
 TIPOS DE MÉTODOS INSTRUMENTALES
Para este estudio, es conveniente describir propiedades físicas que puedan utilizarse como
señales analíticas en el análisis cualitativo o cuantitativo. La Tabla 1-1 enumera la mayoría de las
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señales analíticas que se suelen utilizar en el análisis instrumental. Obsérvese que las seis
primeras están relacionadas con la radiación electromagnética. En la primera, el analito origina la
señal radiante; las cinco restantes implican cambios en el haz de radiación producidos a su paso
por la muestra. Las cuatro siguientes son eléctricas. Por último, cuatro señales diversas se
agrupan conjuntamente. Estas son la razón masa a carga, la velocidad de reacción, las señales
térmicas y la radiactividad.
La segunda columna de la Tabla 1-1 indica los nombres de los métodos instrumentales
basados en las distintas señales analíticas. Debería entenderse que excepto en la cronología,
pocas peculiaridades distinguen a los métodos instrumentales de sus equivalentes clásicos.
Algunas técnicas instrumentales son más sensibles que las técnicas clásicas, pero otras no. Un
método instrumental puede ser más selectivo para ciertas clases de elementos o de compuestos;
para otros, un planteamiento gravimétrico o volumétrico puede suponer una menor interferencia.
Igualmente difíciles de establecer son las generalizaciones basadas en la exactitud, la
conveniencia, o el tiempo empleados. Tampoco es necesariamente cierto que los procedimientos
instrumentales utilicen aparatos más sofisticados o más costosos; en realidad, la moderna balanza
analítica electrónica que se emplea en las determinaciones gravimétricas supone un instrumento
más complejo y refinado que muchos de los usados en los otros métodos mencionados en la
Tabla 1-1.
Como ya se ha comentado anteriormente, además de los numerosos métodos indicados
en la segunda columna de la Tabla 1-1, existe un grupo de procedimientos instrumentales que se
utilizan para separar y resolver compuestos estrechamente relacionados. La mayoría de estos
procedimientos se basan en la cromatografía. Para completar el análisis tras las separaciones
cromatográficas se suele usar alguna de las señales de la Tabla 1-1. Con esta finalidad se han
utilizado la conductividad térmica, la absorción infrarroja y ultravioleta, el índice de refracción y la
conductancia eléctrica.
Tabla 1.1 Señales utilizadas en los métodos instrumentales
SEÑAL
METODOS INSTRUMENTALES

Emisión de radiación
Espectroscopia de emisión (rayos X, UV, visible, de
electrones) fluorescencia, fosforescencia y luminiscencia
(rayos X,UV y visible)

Absorción de radiación
Espectrofotometría y fotometría (rayos X, UV,Visible, IR;)
espectroscopia fotoacústica, resonancia magnética nuclear,
y espectroscopia de resonancia de espín electrónico

Dispersión de la radiación
Turbidimetría, nefelometría, espectroscopia Raman

Refracción de la radiación
Refractometría, interferometría

Difracción de la radiación
Métodos de difracción de rayos X y de electrones.

Rotación de la radiación
Polarimetría, dispersión rotatoria óptica, dicroismo circular

Potencial eléctrico
Potenciometría, cronopotenciometría

Carga eléctrica
Coulombimetría

Corriente eléctrica
Polarografía, amperometría

Resistencia eléctrica
Conductimetría


Razón masa a carga
Velocidad de reacción
Espectrometría de masas
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Métodos cinéticos

Propiedades térmicas
Conductividad térmica y métodos de entalpía

Radiactividad
Métodos de activación y de dilución isotópica
 INSTRUMENTOS PARA EL ANÁLISIS
En un sentido muy amplio, un instrumento para el análisis químico convierte una señal
analítica que no suele ser detectable ni comprensible directamente por un ser humano, en una
forma que sí lo es. Así, un instrumento analítico puede considerarse como un dispositivo de
comunicación entre el sistema en estudio y el científico.
Un instrumento para el análisis químico suele estar constituido como máximo por cuatro
componentes fundamentales. Como se muestra en la Figura 1-1, estos componentes son un
generador de señales, un transductor de entrada (denominado detector), un procesador de la
señal y un transductor de salida o dispositivo de lectura. A continuación se da una descripción
general de estos componentes.
Fig 1.1: Componentes de un instrumento típico
1. Generadores de señales
Un generador de señales produce una señal que denota la presencia y, con frecuencia
también. la concentración del analito. En muchos casos, el generador de señales es simplemente
un compuesto o un ión generado a partir del propio analito. Por ejemplo un análisis por emisión
atómica, el generador de señales son los átomos excitados o los iones del analito que emiten
fotones de radiación. Otro ejemplo en una determinación de pH, la señal es la actividad del ión
hidrógeno de una disolución de la muestra. Sin embargo, en muchos otros instrumentos el
generador de la señal está considerablemente más elaborado. Así, el generador de señales de un
instrumento de análisis por absorción infrarroja incluye, además de la muestra, una fuente de
radiación infrarroja, un monocromador, un divisor y un cortador (chop- per) del haz, un atenuador
de la radiación y un recipiente de muestra.
La segunda columna de la Tabla 1-2 lista unos pocos ejemplos típicos de generadores de
señales.
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Tabla 1.2 Algunos ejemplos de componentes de instrumentos
Instrumento
Fotómetro
Espectrofotómetro de
emisión
atómica
Coulombimetr
o
Medidor de pH
Difractómetro
de rayos X
para polvo
Comparador
de color
Generador de
señal
señal
analítica
Lámpara de
Tungsteno,
Haz de luz
filtro vidrio,
atenuado
muestra
Llama,
monocromador, Radiación
cortador,
UV o visible
muestra.
Fuentecorriente
contínua,
Corriente de
muestra
la celda
Muestra
Transductor
de entrada
Señal
transducida
Procesador de
señal
Lectura
fotocélula
Corriente
eléctrica
ninguno
Medidor de
corriente
Tubo
fotomultiplicador.
Potencial
eléctrico
Amplificador
demodulador
Registrador
sobre papel
Electrodos
Corriente
eléctrica
Amplificador
Registrador
sobre papel
Potencial
eléctrico
Amplificador,
digitalizador
Unidad digital
Actividad del Electrodos
ion
de vidrio y
hidrógeno calomelanos
Tubo de rayos
X, muestra
Radiación
difractada
Película
fotográfica
Imagen
latente
Revelador
químico
Luz solar,
muestra
Color
Ojo humano
Señal del
nervioóptico
Cerebro
humano
Imágenes
ennegrecidas
en película
Respuesta
visual color
2. Detectores (transductores de entrada)
Un transductor es un dispositivo que convierte un tipo de energía (o señal) en otro. Como
ejemplos, pueden mencionarse el termopar, que convierte una señal de calor radiante en un
voltaje eléctrico; la fotocélula, que convierte la luz en una corriente eléctrica; o el brazo de una
balanza, que convierte una diferencia de masa en un desplazamiento del brazo de la balanza
respecto a la horizontal. Los transductores que actúan sobre una señal química se denominan
detectores. La mayor parte de los detectores convierten las señales analíticas en un voltaje o
corriente eléctricos que se amplifican o modifican fácilmente para accionar un dispositivo de
lectura. Sin embargo, hay que tener en cuenta que los dos últimos detectores de la Tabla 1-2
originan señales no eléctricas.
Los modernos instrumentos analíticos generalmente emplean uno o varios dispositivos
electrónicos sofisticados, tales como amplificadores operacionales, circuitos integrados,
convertidores analógico-digitales y digital-analógicos, contadores, microprocesadores y
ordenadores. Para poder estimar la potencia y las limitaciones de dichos instrumentos, hace falta
que el científico comprenda como mínimo de forma cualitativa cómo funcionan estos sistemas y
qué es lo que hacen.
3. Procesadores de señales
El procesador de señales modifica la señal transducida procedente del detector de tal
forma que se adecue al funcionamiento del dispositivo de lectura.
Una señal puede definirse como la salida de un transductor respondiendo al sistema
químico de interés. La señal puede dividirse en dos partes, una causada por el (los) analito (s) y
la otra por los componentes de la matriz de la muestra, y por la instrumentación analizada en la
medición. Esta última parte de la señal se conoce como ruido.
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Aunque la capacidad para separar las señales - que contienen datos significativos- del
ruido sin sentido siempre ha sido una propiedad deseable en cualquier instrumento, con la
demanda creciente de mediciones más sensibles se ha convertido en algo indispensable. La
cantidad de ruido presente en un sistema instrumental determina la concentración de analito más
pequeña que puede medirse con exactitud, y también fija la precisión de la medición a
concentraciones más grandes.
Los dos métodos principales de acentuación de la señal son 1) el uso de dispositivos
electrónicos, tales como filtros para reducir el ruido; la amplificación (un proceso en el cual la señal
se multiplica por una constante mayor que la unidad); se atenúan (proceso en el cual la señal se
multiplica por una constante menor que uno); se integran, se derivan ó se aumentan
exponencialmente; o algoritmos de programas computacionales equivalentes para procesar
señales a partir de la medición mientras pasan a través del instrumento, y 2) el tratamiento
matemático de los datos, posterior a la medición. Entre los métodos posteriores a la medición más
útiles están las técnicas estadísticas; a demás de la acentuación de la señal, estas técnicas
ayudan a identificar las fuentes de error y a determinar la precisión, a la vez que proporcionan un
método de comparación objetiva de los resultados.
4. Dispositivos de lectura
Un dispositivo de lectura es un transductor que convierte una señal procesada en una
señal que puede ser entendida por un observador humano. Por lo general, la señal transducida
toma la forma de la posición de una aguja en un medidor de escala, de una salida de un tubo de
rayos catódicos, de un trazo en un registrador de papel, de una serie de números en una pantalla
digital, o del ennegrecimiento de una placa fotográfica. En algunas ocasiones, el dispositivo de
lectura da directamente la concentración de analito.
 LA SELECCIÓN DE UN MÉTODO ANALITICO
La segunda columna de la Tabla 1-1 pone de manifiesto que el químico moderno dispone
de una serie enorme de herramientas para realizar los análisis –tantas, de hecho, que la elección
entre ellas es a menudo difícil.
1. Definición del problema
Para poder seleccionar de modo inteligente un método analítico, es esencial definir con claridad la
naturaleza del problema analítico. Dicha definición requiere la contestación de las siguientes
cuestiones:
1. ¿Qué exactitud y precisión se requiere?
2. ¿De cuánta muestra se dispone?
3. ¿Cuál es el intervalo de concentración del analito?
4. ¿Qué componentes de la muestra interferirán?
5. ¿Cuáles son las propiedades físicas y químicas de la matriz de la muestra?
6. ¿Cuántas muestras deben analizarse?
La respuesta a la pregunta 1 es de vital importancia ya que determina cuánto tiempo y
esmero se precisará para el análisis. Las respuestas a las preguntas 2 y 3 determinan cuán
sensible debe ser el método y a qué intervalo de concentraciones debe adaptarse. La respuesta a
la pregunta 4 determina la selectividad que requiere el método. Las respuestas a la 5 son
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importantes porque algunos de los métodos analíticos de la Tabla 1-1 se aplican a disoluciones
(normalmente acuosas) del analito. Otros se aplican con mayor facilidad a muestras gaseosas,
mientras que unos terceros son adecuados para el análisis directo de sólidos.
Desde un punto de vista económico, una consideración importante es el número de
muestras que se tienen que analizar (pregunta 6). Si este número es elevado, se puede invertir
una cantidad considerable de tiempo y dinero en la instrumentación, en el desarrollo del método y
en la calibración. Además, si el número fuera muy elevado, debería elegirse un método que
precisara del mínimo tiempo de operador por muestra. Por otro lado, si sólo se tienen que analizar
unas pocas muestras, la elección prudente suele ser la de un método más sencillo aunque sea
más largo pero que requiera poco o ningún trabajo preliminar.
Teniendo en cuenta las respuestas a las seis cuestiones anteriores, puede escogerse un
método -siempre que se conozcan las características de funcionamiento de los distintos métodos
instrumentales indicados en la Tabla 1-1.

CARACTERÍSTICAS DE FUNCIONAMIENTO
PARÁMETROS DE CALIDAD
DE
LOS
INSTRUMENTOS;
Tabla 1.3 Criterios numéricos para seleccionar métodos analíticos
Criterio
Parámetro de calidad
Desviación estándar absoluta, desviación estándar
A - Precisión
relativa, coeficiente de variación, varianza.
B - Exactitud
Error absoluto sistemático, error relativo sistemático
C - Sensibilidad
Sensibilidad de calibración, sensibilidad analítica
D - Límite de detección
Blanco más tres veces la desviación estándar del blanco
E - Intervalo de concentración Concentración entre el límite de cuantificación (LOQ) y el
límite de linealidad (LOL)
F - Selectividad
Coeficiente de selectividad
En la Tabla 1-3 se enumeran los criterios cuantitativos de funcionamiento de los
instrumentos, criterios que pueden usarse para decidir si un determinado método instrumental es
o no adecuado para resolver un problema analítico. Estas características se expresan en términos
numéricos que se denominan parámetros de calidad
A. PrecisióN: La precisión de los datos analíticos se define como el grado de concordancia mutua
entre los datos que se han obtenido de una misma forma. La precisión mide el error aleatorio, o
indeterminado, de un análisis. Los parámetros de calidad de la precisión son la desviación
estándar absoluta, la desviación estándar relativa, la desviación estándar relativa de la media, el
coeficiente de variación y la varianza.
B. Exactitud: La exactitud mide el error sistemático, o determinado, de un método analítico. La
exactitud se define por la ecuación
exactitud = u - x,
(1-1)
donde u es la media de la población para la concentración de un analito de una muestra cuya
concentración verdadera es xt. Para determinar la exactitud hay que analizar uno o varios
materiales estándar de referencia cuyas concentraciones de analito se conozcan.
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En general, al desarrollar un método analítico, todos los esfuerzos se dirigen hacia la
identificación de la fuente de error y a su eliminación o corrección mediante el uso de blancos y la
calibración del instrumento.
C. Sensibilidad: La mayoría de los químicos están de acuerdo en que la sensibilidad de un
instrumento o de un método mide su capacidad de discriminar entre pequeñas diferencias en la
concentración del analito.
Las propiedades físicas y químicas del analito, la respuesta del transductor de entrada al
analito y los componentes de la matriz de la muestra, son algunos de los factores más
importantes que determinan la sensibilidad.
La sensibilidad se define como la razón del cambio en la respuesta del instrumento (Iº , señal de
salida) al cambio correspondiente en el estímulo (C, concentración del analito ):
S=dl0
dC
La sensibilidad también puede expresarse como la concentración del analito necesaria
para causar una respuesta dada en el instrumento.
Las pendientes de las curvas de calibración se usan para determinar los valores de
sensibilidad (fig. 1.2 y 1.3) Usualmente es deseable maximizar el valor de la sensibilidad, a
menos que se quiera extender el intervalo de la respuesta del instrumento sin diluir la muestra.
Fig. 1.2: Respuesta lineal
Fig. 1.3: Respuesta no lineal
La Fig. 2.1 muestra una respuesta lineal (sensibilidad constante) en todo el intervalo de
concentraciones medidas, para las sustancias A y B. De las pendientes de las curvas se ve que la
sensibilidad del método es mucho mayor para la sustancia B que para la A. La respuesta no lineal
en la Fig. 2.2 indica un cambio en el valor de la sensibilidad como función de la concentración. Las
mediciones de sustancia C, como función de la concentración, se van haciendo menos sensibles.
La sensibilidad también puede expresarse como la concentración del analito necesaria para
causar una respuesta dada en el instrumento.
D. Límite de detección: La definición cualitativa más aceptada del límite de detección viene dada
por la concentración o el peso mínimos de analito que pueden detectarse para un nivel de
confianza dado. Este límite depende de la relación entre la magnitud de la señal analítica y el valor
de las fluctuaciones estadísticas de la señal del blanco.
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E. Intervalo de concentración aplicable: La Figura 1.4 ilustra la definición del intervalo útil de un
método analítico, que va desde la concentración más pequeña con la que pueden realizarse
medidas cuantitativas (límite de cuantificación, LOQ) hasta la concentración a la que la curva de
calibrado se desvía de la linealidad (límite de linealidad, LOL).
Figura 1.4 intervalo útil de un método analítico LOD = límite de detección LOG = límite de
cuantificación LOL =límite de respuesta lineal
F. Selectividad: La selectividad de un método analítico denota el grado de ausencia de
interferencias debidas a otras especies contenidas en la matriz de la
muestra.
Desafortunadamente, ningún método analítico está totalmente inafectado por otras especies y,
con frecuencia, diversas etapas se deben realizar para minimizar los efectos de estas
interferencias.
Para un problema analítico dado, los parámetros de calidad permiten al químico reducir la
elección de los instrumentos a tan sólo unos pocos. La selección entre éstos puede entonces
basarse en los criterios cualitativos de funcionamiento señalados en la Tabla 1-4.
Tabla 1.4 Otras características a tener en cuenta en la elección del método
1.
2.
3.
4.
5.
Velocidad
Facilidad y comodidad
Habilidad del operador
Coste y disponibilidad del equipo
Coste por muestra
 EVALUACIÓN DE RESULTADOS
El control de las variables experimentales es usualmente difícil y a menudo imposible. Los
métodos de muestreo, las técnicas de los analistas y las respuestas instrumentales, son las
fuentes potenciales de error. Los métodos estadísticos proporcionan un medio de evaluar,
objetivamente, la fuente y la magnitud del error en los métodos analíticos. La frase común, dentro
del error experimental, carece de sentido si la magnitud del error no es definida mediante el uso
de técnicas estadísticas.
 TIPOS DE ERRORES
Para obtener resultados confiables a partir de un método analítico, deben identificarse las
fuentes de error y cada una de ellas debe eliminarse o minimizarse. Los errores pueden ser
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clasificados en dos tipos: aleatorios (indeterminados) o sistematizados (determinados). Ya que la
fuente del error aleatorio está en la naturaleza intrínsecamente incierta de las técnicas de
medición, este tipo de error se presenta en cada análisis. Los ruidos térmico, de golpeteo y de
fluctuación, son fuentes de error aleatorio. La magnitud del error citado es pequeña, generalmente
y por lo tanto puede minimizarse por métodos de filtrado (ya sea por equipo o por programas).
El segundo tipo de error, sistemático o de procedimiento , hace que los resultados se
desvíen de manera constante respecto de los valores esperados. Sus fuentes incluyen
procedimientos de calibración inadecuados, pureza insuficiente de los reactivos y operación
incorrecta de los instrumentos de medición. Este tipo de error no puede reducirse por la aplicación
de métodos estadísticos. A menudo, los errores sistemáticos pueden identificarse y minimizarse
modificando el procedimiento analítico.

PUESTA A PUNTO DE LA METODOLOGÍA ANALÍTICA
En términos generales, se denomina calibración al conjunto de operaciones que tienen
por objeto establecer la relación que hay, en condiciones especificadas, entre los valores
indicados por un instrumento de medida y los valores conocidos correspondientes. En el análisis
químico, calibrar significa determinar la relación entre la concentración del analito y la respuesta
de la técnica de medida. No hay que confundir calibración con validación: el último término
implica determinar si una metodología analítica específica puede usarse de modo satisfactorio,
sea que la realice un solo analista o por varios laboratorios y analistas.
Una calibración adecuada de los instrumentos es esencial para obtener análisis exactos.
La elección de una técnica de calibración depende del método instrumental, de la respuesta del
instrumento, de las interferencias presentes en la matriz de la muestra y del número de muestras
por analizar. El término matriz incluye, además del analito, todos los demás componentes de la
muestra.
Los estándares o patrones químicos se utilizan para determinar factores de recuperación y
para la etapa de calibración. Los métodos de calibración pueden dividirse en dos tipos:


A) los que utilizan estándares externos (calibración externa)
B) los que utilizan estándares añadidos a la muestra:
método de la adición estándar
método del estándar interno
A) ESTÁNDARES EXTERNOS - Curva de calibración
En el análisis cuantitativo es muy raro tener la certeza de que se cumple la ley de Beer, por
lo cual no es justificable utilizar un solo patrón para determinar la absortividad molar, y menos aún
que los resultados se basen en los datos de absortividad molar tomados de la literatura.
En la mayoría de los métodos espectrofotométricos se hace una calibración con el
método de los estándares externos. Un estándar externo es aquel que se analiza separadamente
de la muestra que se está ensayando. Para ello, se prepara una serie de soluciones patrón que
contienen distintas concentraciones conocidas de analito, junto a la matriz que es similar o
idéntica a la de la muestra. Luego se mide su absorbancia y se construye una curva de calibración
de absorbancia frente a concentración.
Los estándares externos pueden usarse para calibrar un procedimiento de medida; cuando
los componentes de la matriz, incluyendo los reactivos que se requieren en el preparado, no
causan interferencias. También pueden usarse para calibrar un análisis en el cual se tiene
suficiente control sobre las condiciones como para que la contribución producida por los
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interferentes sobre las medidas puedan mantenerse constantes; así puede realizarse la oportuna
corrección del error determinado por el interferente.
Muchas veces no se pueden eliminar todos los elementos interferentes durante la
preparación de la muestra. A pesar de todo, los estándares, cuidadosamente preparados,
posibilitan la evaluación de los efectos de cualquier elemento interferente y permiten corregir su
influencia sobre los resultados. De otra forma, no se podría hacer ninguna calibración.
Si varía cualquier condición o cualquiera de los pasos de la preparación, los instrumentos
deben ser recalibrados y quizás se tengan que preparar nuevos estándares externos.
Ejemplo 1.
Quiere determinarse la concentración de glucosa en una muestra que leída en el espectrofotómetro obtuvo
una Absorbancia de 0,250. Por otra parte, se prepararon una serie de soluciones patrón de glucosa cuyas
concentraciones se miden en g%mL. Las lecturas obtenidas de esta serie de estándares se presentan en la
tabla 1.
Tabla1. Lectura de soluciones estándar de glucosa de distintas concentraciones.
Concentración Absorbancia
de glucosa (g
%mL)
250
0,56
200
0,45
150
0,33
100
0,21
75
0,15
50
0,1
0,6
0,4
Absorbancia
0,2
0
60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260
Concentración g/100 mL
Figura 1.5. Gráfica de los datos de calibración para estándares de glucosa.
a) Resolución en forma gráfica:
Una vez obtenida la Curva de calibración con los estándares externos puede determinarse la concentración
de la muestra. Se busca en la gráfica el valor de 0,250 de Absorbancia leído para el analito. Al interceptar en
la curva se puede observar que corresponde a una concentración de 125 g/100 mL de glucosa.
b) Resolución matemática:
Para trazar una recta son suficientes dos puntos, lo buscamos matemáticamente. Estos corresponden a:
- Un patrón de concentración exactamente conocida que llamaremos C p el cual tiene una absorbancia Ap.
- La muestra, de la cual del cual queremos saber su concentración C x y conocemos su absorbancia Ax,
porque la hemos leído en el espectrofotómetro.
Apliquemos la Ley de Lambert – Beer para el problema:
para el patrón:
A p = a . b . Cp
para el problema: Ax = a . b . Cx
Como queremos saber la concentración de glucosa en la muestra (C x), los demás datos son conocidos, si
los substituímos:
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Se puede observar que el resultado coincide con el obtenido de la gráfica.
B) ESTÁNDARES AÑADIDOS (internos):
Hay tres supuestos en los que la estandarización se efectúa añadiendo un estándar a la misma
muestra:
1. Cuando la matriz, sólida o líquida de una muestra sea, desconocida o tan compleja que no
podría emplearse un estándar externo con suficiente garantía.
2. Cuando el proceso de preparación de la muestra o la técnica de ensayo sea compleja o muy
variable.
3. Cuando la medida dependa de condiciones instrumentales muy precisas y difícilmente
controlables.
En algunos casos pueden presentarse los tres problemas en un mismo análisis. Por
ejemplo, la muestra puede ser complicada, la preparación difícil y la medida puede implicar
introducir la muestra en una llama. Las reacciones de las tres etapas son bastante complejas y
algunas veces las condiciones de la llama son difíciles de regular con la precisión deseada.
B.1- Método de adiciones estándares:
Cuando es imposible suprimir interferencias físicas o químicas en la matriz de la muestra
puede usarse el método de adiciones estándares. La respuesta del instrumento debe ser función
lineal de la concentración del analito, en el intervalo de concentraciones y también debe tener una
ordenada en cero (señal cero para concentración cero).
Una pequeña cantidad de solución del analito, de concentración conocida, se añade a una
alícuota de una solución muestra analizada previamente, y el análisis se repite usando reactivos,
parámetros de instrumento y procedimientos idénticos.
Las lecturas pueden ser corregidas para cualquier señal de fondo. Siempre es aconsejable
revisar el resultado con al menos otra adición estándar. Las adiciones estadísticamente óptimas
de analito son iguales al doble o a la mitad de la cantidad de analito en la muestra original. Todas
las soluciones deben ser diluidas al mismo volumen final, para que cualquier interferente en la
matriz de la muestra tenga un efecto idéntico en cada solución. Debe dejarse transcurrir suficiente
tiempo entre la adición del estándar y el análisis final, para que el estándar agregado alcance el
equilibrio con los interferentes de la matriz.
El método de adiciones estándares es ampliamente utilizado en la química electroanalítica, para
obtener resultados más exactos que los que resultan usando curvas de calibración. La absorción
atómica y la espectrofotométrica de emisión de llama, usan este método con matrices de
muestra complejas, en donde la viscosidad, la tensión superficial, los efectos de la llama y otras
propiedades de la solución muestra, no pueden reproducirse con exactitud en las soluciones de
calibración.
Ejemplo 2.
Se pipetean alícuotas de 10 mL de una muestra de agua mineral en matraces aforados de 50 mL.
Se adicionan a cada uno 0; 5;10; 15 y 20 mL de una solución estándar 11,1 ppm de Fe +3, con
exceso de SCN- para dar Fe (SCN)63-. Después de diluir a 50 mL las Absorbancias para las 5
diluciones fueron: 0,240; 0,437 ; 0,621 ; 0,809 y 1,009 respectivamente. Se trabajó con un
espesor de cubeta (b) de 0,982 cm.
Calcular por los distintos métodos la concentración de Fe+3 en la muestra de agua.
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Cálculo de las concentraciones de los estándares añadidos:
Este problema aplica el método de la adición estándar que se basa en analizar la muestra
desconocida y luego adicionar a esa muestra una cantidad conocida del material que se quiere
analizar.
El aumento observado en la señal es proporcional a la cantidad conocida del material agregado, y
a partir de éste es posible calcular la cantidad de un material inicialmente presente en la
incógnita.
Tabla 2a. Absorbancias obtenidas luego de adicionar solución estándar de hierro a la muestra de
agua.
Muestra
Volumen de
absorbancia
estándar
10 mL
0 mL
0,240
10 mL
5 mL
0,437
10 mL
10 mL
0,621
10 mL
15 mL
0,809
10 mL
20 mL
1,009
Para calcular la concentración del estándar se procede así:
C1 V1 = C2 V2  C2 = C1 V1  C2 =11,1 ppm x 5 mL = 1,1 ppm
V2
50 mL
Dilución de la muestra:
Teniendo en cuenta la dilución 1 : 5 de la muestra:
1,1 ppm x 5 (dilución) = 5,55 ppm
10 mL ------- 50 mL sol. diluída
1 mL --x = 50 mL = 5mL sol. diluída
10 mL
Así se obtienen todos los valores de concentración que figuran en la tabla 2b:
Tabla 2b. Concentraciones y lecturas obtenidas luego de adicionar solución estándar de hierro a
la muestra de agua.
Muestra
Volumen de
Concentración
Intensidad
estándar
10 mL
0 mL
0
ppm
0,240
10 mL
5 mL
5,55 ppm
0,437
10 mL
10 mL
11,1 ppm
0,621
10 mL
15 mL
16,65 ppm
0,809
10 mL
20 mL
22,2 ppm
1,009
a) Resolución por fórmula:
AT = K ( Cs + Cx)
Ax = K C x
Sustituyendo en la ecuación
( 2), el valor de K despejado de la ( 1 ) y reordenando obtenemos:
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Cx = Cs Ax .
Vs
(AT - Ax ) Vx
Ax = Absorbancia de la muestra
AT = Absorbancia Total
Cx = concentración de la muestra.
Cs = concentración del estándar.
Vs = volúmen del estándar.
Vx = volúmen de la muestra.
Para el ejemplo panteado se resolvería:
Cx = 11,1 ppm x 0,240 x 10
(0, 621 - 0,240 )
6,99 ppm
mL
=
10 mL
b) Resolución Gráfica:
La resolución gráfica, usando el método de las adiciones estándares, se muestra en la
figura 2. La escala de concentración se encuentra sobre el eje de abscisas y en el eje de
ordenadas se encuentran las concentraciones de las soluciones estándar del analito
agregadas a la soluciones de muestra. La concentración desconocida está dada por el
punto en el cuál la línea extrapolada corta el eje de concentración. En este caso
corresponde a 7 ppm y coincide con los datos obtenidos por los otros métodos.
Figura 2. Gráfica de los valores de absorbancia vs. concentración de Fe+3 en ppm
.2- Método del estándar interno:
Se emplea un estándar interno para minimizar las diferencias en las propiedades físicas de un
conjunto de soluciones muestra que contiene el mismo analito. En este método, una cantidad fija
de una sustancia pura se añade tanto a las soluciones muestra como a las soluciones estándares,
se determinan luego las respuestas del analito y del estándar interno, cada una corregida por el
fondo y se calcula el cociente de las dos respuestas. Si se controlan los parámetros que afectan
las respuestas medidas, la respuesta de la línea del estándar interno será constante, puesto que
la concentración del estándar interno es fija, sin embargo si varía uno o más de los parámetros
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que afectan las respuestas medidas, dichas respuestas del analito y del estándar interno deben
ser afectadas por igual.
Por lo tanto, el cociente de respuestas (del analito al estándar interno) depende solamente de la
concentración del analito. Una gráfica de la relación o cociente de respuestas como función de la
concentración del analito, da una curva de calibración. El estándar debe añadirse al comienzo de
un análisis para permitir su disolución, mezclado y que ocurra cualquier reacción antes de efectuar
cualquier medición. Todos los equilibrios deben haberse establecido (y algunos pueden ser
dependientes del tiempo). La adición de los estándares a la muestra disuelta puede llevar a una
interpretación deficiente de los resultados si no se consideran las posibles reacciones entre la
sustancia estándar y otros componentes.
El estándar interno debe ser una sustancia similar al analito con una señal fácilmente medible
que no interfiere con la respuesta del analito, debe responder de manera similar a él, para
cualquiera de las variables que pudieran afectar la respuesta del detector. La concentración del
estándar interno tiene que ser del mismo orden de magnitud que la del analito a fin de minimizar el
error al calcular los cocientes de respuestas. Este método se usa ampliamente en los análisis por
cromatografia de gases y por absorción atómica y en menor grado, en las determinaciones
espectroscópicas de infrarrojo y de emisión.
Ejemplo 3.
Se determinó un compuesto Cx en una muestra por fotometría de llama. Se empleó el método del
estándar interno, agregando cantidades crecientes del analito C x y cantidades iguales del
estándar Cs.b Los resultados obtenidos se muestran en la tabla 3. Calcular la concentración de C x
de la muestra cuyas Intensidades fueron 33 para Cx y 9 para Cs.
Tabla 3. Absorbancias obtenidas en distintas soluciones del analito y la muestra luego de añadir
patrón interno.
Volumen
Cantidades
Cantidad constante Intensidad Intensidad
de muestra crecientes de Cx de patrón interno Cs
de Cx
de Cs
10 mL
0 ppm
1 ppm
33
9
10 mL
1 ppm
1 ppm
9
9
10 mL
2 ppm
1 ppm
14,3
9,5
10 mL
3 ppm
1 ppm
21,2
8,5
10 mL
4 ppm
1 ppm
34,4
9
a) Resolución por método gráfico:
Calcular las relaciones: Ix / Is y luego graficar como se indica a continuación:
Volumen
de
muestra
10 mL
10 mL
10 mL
10 mL
10 mL
Cantidades Cantidad constante Intensida Intensida
crecientes de de patrón interno
d
d
Relación
Cx
Cs
de Cx
de Cs
Ix/Is
0 ppm
1 ppm
33
9
3,67
1 ppm
1 ppm
9
9
1,00
2 ppm
1 ppm
14,3
9,5
1,51
3 ppm
1 ppm
21,2
8,5
2,49
4 ppm
1 ppm
34,4
9
3,82
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4
3
Relación Ix/Is
2
1
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
ppm de Cx
Figura 1.6. Gráfica de los valores de relación Ix/Is vs. concentración de en ppm
b) Método de los cocientes matemáticos:
Se establecen las relaciones entre la muestra y el valor de la escala más cercano:
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GUÍA TEÓRICA
INTRODUCCIÓN AL ANALISIS INSRTUMENTAL
1- Teniendo en cuenta las propiedades físicas que se pueden utilizar como señales analíticas en los
métodos instrumentales, complete el siguiente cuadro:
Propiedades físicas
Método instrumental
2- Complete el siguiente cuadro teniendo en cuenta los diferentes componentes de los instrumentos.
Generador de
Señal
Transductor
Señal
Procesador
Instrumento
Lectura
señal
analítica
de entrada transducida
de señal
Fotómetro
Espectrofotómetro de
emisión
atómica
Coulombimetr
o
Medidor de pH
Difractómetro
de rayos X
para polvo
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Comparador
de color
3- ¿Qué consideraciones debe tener en cuenta al seleccionar un método analítico?
Criterio
Parámetro de calidad
4- Completar el siguiente cuadro teniendo en cuenta los diferentes métodos de calibración.
Método de Calibración
Fundamento
Formas de resolución
Estándar externo
Estándar interno
Adición estándar
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