ANALISIS QUIMICO INSTRUMENTAL • • Dr. José Alfredo Cruz Monzón [email protected] LEY DE BEER – LAMBERT LEY DE LAMBERT - BEER potencia del haz antes de atravesar el blanco absorbancia total medida a la longitud de onda λ AT,l = log P = Transmitancia (T) P0 P0 =ebc P potencia del haz luego de atravesar la muestra concentración molar de las especies absorbentes A = - logT LIMITACIONES DE LA LEY DE BEER REALES * Variación de la absortividad debida al disolvente * Concentración APARENTES * Instrumentales: radiación policromática * Químicas: cambios químicos de las especies absorbentes por interacción con el disolvente DESVIACIONES DE LA LEY DE BEER La mayoría de analitos cumplen con la ley en un determinado intervalo de concentraciones. Fuera de él: Desviaciones positivas o negativas. respuesta debida a la autoabsorción o a la luz escasa que atraviesa la cubeta Es preciso asegurar que se está trabajando en el intervalo lineal!! SELECCIÓN DE LA LONGITUD DE ONDA DE TRABAJO banda A A banda C A banda B l banda C banda A banda B concentración Medir absorbancias en el entorno más próximo a λ max. Pues se minimizan errores, y se logra mayor sensibilidades. Lecturas lejos del λ max produce pequeñas variaciones que se traducen en grandes errores. METODOS DE CALIBRADO En muchos análisis químicos se mide la respuesta(señal), de un instrumento cuando se le someten a él cantidades conocidas de analito (patrones o estándares), para luego interpretar la respuesta de una muestra que contiene cantidades desconocidas de analito. Es común entonces la construcción de rectas de calibrado Recta de Calibrado: grafico que representa la respuesta de un método analítico (absorbancia, área, emisión, etc), en función de cantidades conocidas de analito. METODO RECTA DE ESTANDARES EXTERNOS Ejemplo: Cierto laboratorio cuenta con K2Cr2O7 ( 99,8% pureza), fiolas de 100 mL y suficiente agua destilada, entonces determine: 1. Los g de K2Cr2O7 a tomar para preparar 250 mL de solución stock de 200 ppm Cr6+. 2. La [Cr6+] real si se tomaron 0,1004 g de K2Cr2O7 disolviéndose con agua destilada hasta completar los 250 mL. 3. Los mL a tomar de solución stock, para que al aforar a 100 mL, la solución de trabajo preparada sea de 10 ppm Cr6+. 4. La concentración exacta de la solución de trabajo, si se tomaron exactamente 7 mL de la solución stock. 5. Determine los mL a tomar de la solución de trabajo real y, complete la sgte tabla: Aforar a ppm Cr6+ 1 50 0 2 50 0,05 3 50 0,10 4 50 0,20 5 50 0,25 Estándar mL sol. trabajo 6. Si se toman los volúmenes que se detallan, determine las [Cr6+] de los estándares preparados. Estándar uL sol. trabajo Aforar a 1 0 50 0 2 250 50 0.018 3 500 50 0.034 4 1000 50 0.064 5 1250 50 0.081 ppm Cr6+ Absorb 7. Determine la ecuación de regresión lineal que ajusta los valores a la ley de Beer 8. Si se tiene una muestra de agua residual, la cual es tratada adecuadamente, y de la cual se toma 1mL y se le agregan los reactivos de forma similar que los estándares, (hasta aforar a 50 mL), entonces al leer en el equipo se obtiene una absorbancia de 0,026. Determine las ppm Cr6+ presente en la muestra de agua analizada. Solución METODO DE ADICION DE ESTANDAR Especialmente útil en análisis de muestras complejas, en donde es considerable el efecto de la matriz. Se puede aplicar de diferentes formas, siendo la mas habitual, la sgte: 1. Depositar en una serie de fiolas una mismo volumen de muestra “Vx” 2. Añadir volúmenes crecientes de una disolución estándar (de concentración “Cs”), a cada una de las fiolas. 3. Aforar a la marca con los reactivos y disolvente (“Vt”). 4. Leer en el instrumento correspondiente cada solución preparada, obteniendo la señal analítica “S”. 5. Usar una hoja de calculo (Por ejemplo Excell), para determinar la ecuación de regresión lineal que ajusta dichos valores. Resumiendo: Vx = volumen de muestra (alícuota), tomada. CX = concentración del analito en la muestra problema Vs = volumen de estándar añadido. Cs = concentración del analito en la solución estándar. S = señal analítica del instrumento Si la respuesta del instrumento es lineal, entonces: S α Vs Cs + Vx Cx Vt S = K ( Vs Cs + Vx Cx) Vt S = K Vs Cs + K Vx Cx Vt Vt S = K VX CX + (K CS) Vs Vt Vt Al comparar con la ecuación: Y = A + BX B = K Cs/Vt A = K Vx Cx / Vt En donde los valores de “A” y “B”, se pueden determinar de la acuación de ña recta ajustada por los mínimos cuadrados. El valor de Cx (concentración del analito en la muestra), se puede obtener simplemente relacionando: A = B De donde: ( K Vx Cx )/Vt (K Cs ) / Vt = Vx Cx Cs Cx = A * Cs B * Vx Ejemplo: En 05 fiolas de 50 mL se depositan exactamente 10 mL de una muestra de relave tratado, adicionándoles secuencialmente 0 ; 0,5 ; 1 ; 1,5 y 2 mL de una disolución patrón que contiene 0,088 ppm Fe, entonces al leer las soluciones preparadas en un equipo de AAS, se reportaron los sgtes valores: Estándar Vs (mL S. Patron) Absorbancia 1 0,00 0,085 2 0,50 0,114 3 1,00 0,144 4 1,50 0,175 5 2,00 0,208 Calcular las ppm Fe total presente en la muestra analizada. Solución Determinación Espectrofotométrica de Fe a λ = 505 nm 0.25 y = 0.0614x + 0.0838 R² = 0.9994 Absorbancia 0.2 0.15 0.1 0.05 0 0 0.5 1 mL añadidos 1.5 2 2.5 METODO DEL PATRON INTERNO Un patrón interno es una sustancia en cantidad conocida (diferente al analito de interés), que se añade a las muestras (o estándares), problema. Es muy útil cuando: - La cantidad de muestra analizada (o la respuesta del instrumento), varía algo cada vez que se utilizan por razones difíciles de controlar. - Cuando suceden perdidas de muestra durante los pasos de preparación previo al análisis. Consiste en añadir una cantidad medida de patrón interno a la muestra problema, para posteriormente y medir la relación (patrón interno/analito), Verificando su constancia de variación, por cuanto se pierde la misma fracción de ambos en cualquier operación. Para usar un patrón interno se prepara primero la mezcla conocida tanto del patrón interno como del analito, y luego se mide la respuesta relativa del detector a las 2 especies. La señal de respuesta a graficar en el eje “Y”, no es la del analito, sino el cociente (señal analito/señal patrón interno), mientras que en el eje “X” se ubican siempre las concentraciones del analito en los estándares: Ejemplo: Se desean preparar 05 estándares cuyas concentraciones en Potasio son las que se detallan en la tabla, pero a la vez se requiere que cada una de ellas es de 50 ppm Li. (Fiolas de 25 mL). Entonces: a. Los g LiCl (98,5%) necesarios para preparar 100 mL de una solución de 5000 ppm Li+. b. La concentración real de Li+, si se pesaron 2,9975 g LiCl c. Los g de KCl (pureza 99,2%) a usar para preparar 500 mL una solución stock de 250 ppm K+) d. La concentración real, si en realidad se pesaron 0,2325 g de KCl e. Los uL de solución stock de K+ tomar para preparar los estándares requeridos. f. Los uL de stock de Li+ para que todos los estándares (excepto el blanco), sean de 50 ppm Li+ Std ppm K+ 1 0 2 2 3 3 4 5 5 7 g. Las concentraciones reales si se tomaron los volúmenes que se detallan a continuación: Std uL Sol. Stock K+ uL Sol. Stock Li+ ppm K+ ppm Li+ 1 0 0 0 0 2 200 250 1,9354 48,3383 3 300 250 2,9032 48,3383 4 500 250 4,8386 48,3383 5 700 250 6,7741 48,3383 Al leer en un equipo de AES (emisión atómica), se obtuvieron los sgtes datos experimentales: Estándar ppm K+ Emisión K+ Emisión Li+ 1 0 0 0 2 1,9354 1,65 8,54 3 2,9032 2,54 8,85 4 4,8386 4,08 8,44 5 6,7741 5,68 8,64 4,43 9,55 Muestra Si en una fiola idéntica se colocan 5 mL de muestra y además 250 µL de solución stock de Li+ preparada, entonces al leerla se obtiene una intensidad de emisión de 4,43 para el K+ y del 9,55 para el Li+ tal como de detalla a continuación Estándar ppm K+ Emisión K+ Emision Li (Emis K+/Emis Li) 1 0 0 0 0 2 1,9354 1.65 8,54 0,1932 3 2,9032 2.54 8,85 0,2870 4 4,8386 4.08 8,44 0,4834 5 6,7741 5.68 8,64 0,6574 4.43 9,55 0,4639 Muestra Determine las ppm K+ en la muestra problema. Determinaciòn de K+ técnica de AES usando patrón interno Li+ 0.7 y = 0.0975x + 0.0034 R² = 0.9995 Emision K+/Emision Li+ 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 1 2 3 4 ppm K+ 5 6 7 8 PREPARACION DE SOLUCIONES MIX DE ANALITOS PARA RECTAS DE CALIBRADO Se requiere preparar una serie de estándares que contengan simultáneamente metanol, isopropanol e fenol a fin de preparar las rectas de calibrado para cada analito en mix simultáneo, para lo cual se cuenta con metanol (CH3OH) del 99,8 % pureza; con isopropanol (C3H8O ), del 98,7% pureza y con fenol sólido (C6H5OH), del 99,5 % pureza . Determine; a. Los µL de metanol ( ρ = 0,79 g/cm3) necesarios para preparar 100 mL una solución stock de 5000 ppm CH3OH b. La concentración real, si se tomaron experimentalmente 650 µL de metanol c. Los µL de isopropanol (ρ = 0,785 g/cm3) necesarios para preparar 100 mL una solución stock de 5000 ppm C3H8O d. La concentración real, si se tomaron 640 µL de isopropanol e. Los gramos de fenol necesarios para preparar 100 mL una solución stock de 5000 ppm C6H5OH f. La concentración real, si se pesaron 0,5085 g de fenol. g. Los uL teóricos a tomar de cada analito para preparar las soluciones mix que se detallan en la sgte tabla: Concentraciones iniciales Std Metanol isopropanol Fenol 1 0 20 40 60 80 100 0 15 30 45 60 80 0 2 4 6 8 10 2 3 4 5 6 uL a tomar de solucion stock CH3OH Isopropanol Fenol Aforar a ( mL ) 50 50 50 50 50 50 h. Si ajustamos los volúmenes teóricos a los sgtes valores reales, determine las concentraciones reales: Std 1 2 3 4 5 6 uL CH3OH uL Isoprop 0 200 400 600 800 1000 ul Fenol Aforar a CH3OH ( ppm ) 0 20 40 60 80 100 50 50 50 50 50 50 0 20,4989 40,9978 61,4967 81,9956 102,4946 0 200 300 450 600 800 Isoprop (ppm) Fenol (ppm) 0 19,8347 29,7521 44,6281 59,5042 79,3390 0 2,0238 4.0477 6,0715 8.0953 10.1192 i. Las rectas de calibrado si se cuenta con la sgte información Std 1 2 3 4 5 6 ppm CH3OH Área 0 20,4989 40,9978 61 ,4967 81,9956 102,4946 0 0,024 0,050 0,071 0,096 0,122 Std 1 2 3 4 5 6 ppm Isop Área 0 0 0,064 0,094 0,139 0,186 0,246 19,8347 29,7521 44,6281 59,5042 79,3390 Std 1 2 3 4 5 6 ppm Fenol Área 0 2.0238 4.0477 6.0715 8.0953 10.1192 0 0.048 0.094 0.147 0.194 0.241 k. La concentración de metanol en una muestra de licor, si de ella se tomaron 25 ml y se el aforó con el solvente adecuado hasta completar 50 mL ( así como los estándares), obteniéndose un área de 24,4 para el metanol; de 12,4 para el isopropanol y de 6,8 para el fenol. Gracias
