045

Especiación de hierro utilizando ténicas de espectrofotometría
en fase sólida y análisis en flujo contínuo
Pellerano, R. G.1 - Ortega Barrales, P.2 - Vazquez, F.A.1 - Molina Díaz, A.2
1. Facultad de Cs. Exactas y Naturales y Agrimensura - UNNE.
Av. Libertad 5450 - (3400) Corrientes - Argentina.
Tel./Fax: +54 (03783) 457996 int. 103 - E-mail: [email protected]
2. Departamento de Química Analítica y Química Física - Facutad de Ciencias Experimentales - Universidad de Jaén.
(23071) Jaén - España
INTRODUCCION
El Hierro (símbolo químico: Fe, del latín ferrum) es un elemento metálico. Se lo puede encontrar en la
naturaleza presentando dos estados de oxidación que son, 2+ (ferroso) y 3+ (férrico), aunque pueden ocurrir otros
estados de oxidación más altos, como intermediarios transitorios en algunas reacciones de tipo redox.
El hierro forma parte de los llamados “metales pesados”. Se denomina metales pesados a aquellos elementos
químicos que poseen un peso atómico comprendido entre 63.55 (Cu) y 200.59 (Hg), y tienen un peso específico
superior a 4 (g cm-3). Cabe destacar que en esta categoría entran prácticamente todos los elementos metálicos de interés
económico, por tanto, de interés minero. La mayoría de los metales pesados son tóxicos, en general, y lo que los hace
tóxicos no son sus características esenciales, sino las concentraciones en las que pueden presentarse y el tipo de especie
que forman en un determinado medio. Sin embargo el Hierro solo es tóxico a muy elevada concentración, ya que el
hierro se encuentra ampliamente distribuido en la naturaleza y es uno de los elementos mas importantes para los
sistemas biológicos.1 Su importancia biológica se encuentra influenciada por sus propiedades químicas, tales como
valencia, solubilidad y grado de quelación o de complejación en la muestra en la que se encuentre. La interconversión
entre Fe2+ y Fe3+ es una propiedad química esencial del hierro, que es utilizada por los microorganismos, plantas y
animales, para sus metabolismos oxidativos y para la asimilación del metal2.
El agua químicamente pura no existe en la naturaleza, las aguas naturales contienen la mayoría de los metales
pesados disueltos en ella, aunque sus concentraciones son muy bajas. Al hierro se lo puede encontrar en las aguas
formando diferentes especies: coloides, partículas minerales (sólidos en suspensión), o fases disueltas (cationes o iones
complejos). Las formas coloidales suelen dar lugar a la formación de hidróxidos, mientras que las partículas sólidas
incluyen una gran variedad de minerales. Las fases disueltas pueden a su vez ser capturadas por adsorción o absorción
en arcillas o hidróxidos. Adicionalmente, los compuestos orgánicos pueden constituir fases con gran capacidad de
captura de cationes metálicos. Al proceso de cuantificación del hierro en cada una de las especies, que se puede
encontrar en una muestra se lo de denomina “Especiación química del hierro”3.
El punto crítico en la especiación del hierro es que se requiere medir las diferentes especies en las que se puede
encontrar, la forma lábil Fe(II) al igual que Fe(III), cuya interconversión depende fuertemente del valor de pH,
contenido de oxígeno disuelto, intensidad de la luz y constituyentes de la matriz de la muestra en la que se encuentra. Se
puede observar también que los iones Fe(II) y Fe (III) están presentes formando especies hidratadas en soluciones
acuosas ácidas, y en este caso su valencia depende fuertemente de los valores de pH. Este fenómeno hace que la
cuantificación de dos especies tan lábiles se convierta en una tarea sumamente dificultosa.4 La mayoría de los
procedimientos analíticos para resolver este problema, aplican métodos indirectos de espectrofotometría de absorción
molecular.5 En estos métodos normalmente se determina el contenido de Fe(II), y el Fe(III) se calcula por diferencia,
con respecto al hierro total.
El objetivo de este trabajo es desarrollar una técnica analítica, de elevada sensibilidad y fácil aplicación, que
nos permita determinar en forma simultánea la concentración de hierro en sus diferentes estados de oxidación,
utilizando técnicas de formación de complejos con cada una de las especies del hierro presentes y posterior
determinación por espectrofotometría en fase sólida en flujo continuo.
EXPERIMENTAL
Aparatos y Reactivos
Reactivos Químicos
Todos los reactivos químicos utilizados para preparar las diferentes soluciones fueron de grado analítico, el agua
bidestilada y todas las reacciones se realizaron a temperatura ambiente.
Solución Stock de Fe(III),100 mg L-1, preparada disolviendo 0,8635 g de FeNH4(SO4)2.12H2O en 50 mL de 1:1 H2SO4 y
diluyendo a 1000 mL con agua bidestilada.
Solución Stock de Fe(II), 100 mg L-1, preparada disolviendo 0,7022 g de Fe(NH4)2(SO4)2.6H2O en 50 mL de 1:1 H2SO4
y diluyendo a 1000 mL con agua bidestilada.
Las soluciónes estándar de trabajo se prepararon realizando diluciones apropiadas de las anteriores.
Solución Stock de KSCN 1M
Solución de o-Fenantrolina 0,25 M
Solución Reguladora, pH 5
Solución transportadora NaCl 0,25 M
Resinas de Intercambio: Sephadex QAE-A25 (Aldrich), la resina aniónica fue utilizada sin pretratamientos.
Sephadex SPC-C25 (Aldrich), la resina catiónica fue utilizada sin pretratamientos.
Instrumental
La absorbancia de los diferentes complejos coloreados, se midió en el rango del espectro visible, utilizando un
espectrofotómetro de doble haz, marca Perkin Elmer Lambda 2-UV-Vis, conectado a traves de una interfase a una
computadora IBM PS/2 modelo 30-286, utilizando el programa Perkin Elmer (PECSS v 4.1).
Se utilizaron también dos cubetas espectroscópicas de flujo, de cuarzo (HELLMA 138-QS), de 1mm de paso óptico.
Cada una de las celdas fue rellenada con la resina de intercambio correspondiente, Sephadex QAE-A25 (para retener
Fe(III)-SCN) y la otra con Sephadex SPC-C25 (para retener Fe(II)-o-Fenantrolina), respectivamente, cada una de ellas
fue colocada con su adaptador correspondiente permitiendo de esta manera, que el haz de luz las atraviese a una altura
conveniente, a través de la resina.
El sistema de flujo (FIA) se puede observar en la Figura. Todos los tubos utilizados son de PTFE de 0,8mm de
diámetro interno.
Todas las soluciones son bombeadas por una bomba peristáltica marca GILSON Minipuls, con un cabezal de 4 canales.
También se utilizaron llaves rotatorias de PTFE, marca Rheodyne modelo 5041; dos de ellas fueron armadas
en la configuración de inyección de líquidos y otras dos en la configuración de selección.
Para la medición de los pH, se utilizó un Peachímetro digital Crison modelo 2002 armado con un electrodo de
vidrio/electrodo de calomel saturado, con control de temperatura automático.
Procedimiento
Procedimiento General
El esquema del sistema de flujo se muestra en la Figura 1. Consta de 4 válvulas giratorias de dos posiciones y
6 canales, dos de éstas, fueron armadas en configuración de inyección (VI1 y VI2) y las dos restantes se hicieron en
configuración de selección (VSI y VSII). Una vez inyectadas las muestras y los reactivos correspondientes se mezclan
al pasar por un reactor (R) y alcanzan dos celdas de flujo (C1 y C2) cargadas con la resina que corresponda. Estas
celdas se encuentran ambas en un espectrofotómetro de doble haz, capaz de medir las variaciones de absorbancia que se
produzcan en cada una simultáneamente.
M
C1
C
VI1
R
B
C
VSII
VI2
C2
VSI
SCN
O-fen
Fig. 1
Procedimiento para Fe3+
• Se gira la VSI a la posición de aspiración del reactivo SCN (KSCN), para cargar el bucle de reactivos que se
encuentra en la válvula VI2
• Se inyecta “M” muestra utilizando la válvula VI1 en el flujo de “C” (solución transportadora),
simultáneamente se gira la válvula VI2 que inyecta el reactivo arrastrado por la solución transportadora. La
muestra y reactivo se encuentran en reactor “R”, donde reaccionan formando las especies complejas
coloreadas.
• La válvula VSII debe estar previamente colocada en una posición tal que permita la salida del flujo por la celda
de flujo C1, que se encuentra cargada con la resina aniónica (Sephadex QAE-A25) necesaria para retener al
complejo Fe(III)-SCN
• Se genera una señal de variación positiva al ir reteniéndose complejo en la fase sólida, que es directamente
proporcional a la concentración de Fe3+ en la muestra.
• Dicha señal disminuye al ir siendo eluídas las especies complejas hasta alcanzar la línea base nuevamente en el
fiagrama
Procedimiento para Fe2+
§ Aspirar el reactivo o-fen (o-fenantrolina) accionando la válvula VSI, para llenar el bucle correspondiente a
reactivos (sobre la válvula VI2)
§ Girar simultáneamente las válvulas de inyección, VI1 y VI2, para inyectar al mismo tiempo, la muestra y el
reactivo en el flujo de solución transportadora. Muestra y reactivo se encuentran posteriormente, en el reactor
“R”, donde reaccionan formando las especies complejas coloreadas Fe(II)-o-fenantrolina.
§ La válvula de selección VSII, debe estar colocada previamente, de manera que dirija el flujo hacia la celda de
flujo C2 que contiene la resina catiónica (SPC-C25), encargada de retener las especies coloreadas. Dicha
retención produce picos de variación negativa (opuesta a las de Fe3+) cuya altura es directamente proporcional
a la concentración.
§ Dicha señal disminuye al ir siendo eluídas las especies complejas hasta alcanzar la línea base nuevamente en el
fiagrama
RESULTADOS Y DISCUSION
Al momento de la presentación de este informe, el trabajo aún se encuentra en la etapa de procesamiento de
datos. Sin embargo ya se encuentran estandarizados gran cantidad de parámetros químicos e instrumentales detallados a
continuación:
Variables Químicas
Todas las determinaciones se realizaron ajustando el pH, mediante el agregado de solución reguladora a los
reactivos. Para el KSCN, se utilizó H2SO4 0,5 M (pH = 2) y para la o-fenantrolina se utilizó solución reguladora citrato
de sodio – ácido cítrico (pH = 5). Se probaron también soluciones de diferente fuerza iónica como portador/eluyente, y
sustancias de diferente naturaleza. Luego de numerosas pruebas se elige al NaCl 0,25 M como solución
portador/eluyente para ambos sistemas (Fe3+ y Fe2+)
Variables Instrumentales
La influencia de la velocidad de la bomba, fue estudiada, teniendo en cuenta la altura de resina elegida en
ambas cubetas (17 mm). Los resultados indican, que a menores velocidades de flujo aumenta la señal correspondiente,
sin embargo disminuye fuertemente la frecuencia de determinaciones. La velocidad óptima para la determinación se fija
en 1.0 mL min-1, teniendo en cuenta el compromiso de sensibilidad – velocidad de la determinación.
Se observa que al ir aumentando los volúmenes de muestra desde 40 µL a 250 µL, aumenta la señal, sin
embargo se debe variar en forma proporcional el volumen de reactivo inyectado. Esto permite que el sensor pueda
trabajar en un amplio rango de concentraciones con solo cambiar los bucles de inyección de muestra y reactivo. Los
resultados expuestos en la siguiente sección corresponden a: un bucle de muestra de 250 µL y un bucle de reactivo de
300 µL.
La longitud del reactor (R) para la mezcla reactivo-muestra, se estudió variándola de 300 a 1500 mm. La
longitud óptima para la formación completa de los complejos, fue determinada en el intervalo de 750 a 1000 mm, para
los volúmenes de muestra utilizados en las determinaciones.
Los tiempos necesarios para el desarrollo completo de cada pico y vuelta a la línea base, fueron de 5 minutos
para el ión ferroso y 6 minutos para el ión férrico, indicando una frecuencia de determinaciones de aproximadamente 6
muestras por hora, para la determinación de ambos iones.
Aplicaciones Analíticas
En la Figura 2 se puede observar el fiagrama obtenido al realizar una curva de calibración para Fe(II)-o-Fenantrolina.
En la Figura 3 se observa la determinación simultánea de Fe(III) en primer lugar (por duplicado), y luego como señal
negativa la presencia de Fe(II). Los parámetros estadísticos correspondientes a los sensores de Fe(II) y Fe(III), son
presentados en la Tabla I.
Fig. 2
Fig. 3
Tabla I:
Fe (II)
Fe (III)
0.5 - 5
0.5 - 5
Rango Lineal (µg . mL-1)
0.028
0.100
Pendiente (µg-1 . mL)
Intersección
- 0.017
0.053
Coeficiente de Correlación (r)
0.9879
0.9941
% R.S.D. (n = 10)
3.41 (5)b
1.69 (5)b
7
-1
0.25
0.15
Límite de Detección (µg . mL )
Frecuencia de Muestreo
6
6
b
: Concentración de Fe (µg . mL-1) a la que se estableció el R.S.D. (Desviación Estándar Relativa)6
CONCLUSIONES
A la vista de los progresos obtenidos durante los sucesivos ensayos, pruebas y mediciones, las espectativas son
muy favorables y alentadoras en del desarrollo final de un método de aplicación sencilla en la especiación del hierro,
con potenciales aplicaciones en muestras de interés ambiental. Por otra parte se ha conseguido rescatar dos reacciones
muy clásicas para la determinación de hierro en sus dos estados de oxidación característicos, revalorizándolas al
efectuarse en simultaneo y con el aditamento de las modernas tendencias analiticas de sistemas de no equilibrio y
además en fase sólida..
Se han realizado pruebas, aplicando este sensor, en aguas superficiales del río Paraná y ríos de España,
obteniéndose excelentes resultados, falta la validación del método.
Es necesario realizar otras comprobaciones con diferentes tamaños de bucles de inyección de muestras y
reactivos, para mejorar la performance.
Algunas ventajas de este sensor se manifiestan al integrar tres procesos, la reacción, retención y detección en
el mismo dispositivo. Como resultado se obtiene un método fácil y reproducible para la especiación de hierro.
Braman, R. S., “Analytical Aspects of Environmental Chemistry”, John Wiley & Sons INC., Cap.1: 2 – 6, 1983
Nicholas M. Alexander, “Handbook on Metals in Clinical and Analytical Chemistry”, Cap. 34: 411 – 421, 1994
3
Caroli, S., “Element Speciation in Bioinorganic Chemistry”, John Wiley & Sons INC, Cap. 1: 1 – 18, 1996.
4
Abu Bakar Tawali and Georg Schwedt, “Combination of solid phase extraction and flame atomic absorption
spectrometry for differentiated analysis of labile iron (II) and iron (III) species”, J. Anal. Chem., 357: 50 – 55, 1997
5
M. L. Fernández-de Córdova, A. Ruiz-Medina y A. Molina-Díaz, “Solid Phase spectrophtometric microdetermination
of iron with ascorbic acid and ferrozine”, J. Anal. Chem., 357: 44 – 49, 1997
6
Gardiner, William P., “Statistical Analysis Methods for Chemists”, The Royal Society of Chemistry, Chapter 2: 29,
1997
7
IUPAC, “Nomenclature, Symbols, units and their usage in spectrometrical analysis”, Pure Appl. Chem., 105: 45, 1976
1
2