Fundamentos de Química Analítica: Conceptos Clave y Métodos de Laboratorio

Fundamentos de Química Analítica

Conceptos Básicos de Soluciones y Propiedades

Concentración: Proporción determinada de un reactivo, al que se le llama soluto (líquido o sólido). Las soluciones están formadas por soluto + solvente.
Soluto: Sustancia que se disuelve en un solvente, por ejemplo, un ácido clorhídrico o una sal.
Solvente: Sustancia en la que se disuelve el soluto, comúnmente agua destilada o desmineralizada.
Solución: Mezcla homogénea de soluto + solvente, que resulta en una concentración específica.
Matriz: El origen o medio del cual proviene una muestra.
Aforar: Llevar un volumen a la línea de marca de un recipiente volumétrico, importante para la exactitud en las mediciones.
Disolución: Equivalente a solución; implica el uso de un solvente para disolver un soluto.
Porción: Una cantidad específica tomada de una cantidad mayor.
Muestra: Porción representativa de lo que se va a analizar.
Alícuota: Porción o fracción específica y medida de una muestra.
Dilución: Proceso de reducir la concentración de un soluto en una solución, relacionado con la relación entre el volumen total y el volumen parcial.
Factor de Dilución: La relación por la cual la muestra original se divide para obtener una concentración más confiable.
Mezcla: Combinación de dos o más sustancias que conservan sus propiedades individuales; puede ser homogénea o heterogénea.
Indicador: Sustancia que señala el punto final de una reacción mediante un vire (cambio de color).
Factor Volumétrico: Depende de la masa del componente B sobre el componente E (B/E).
Trazabilidad: Cadena ininterrumpida de mediciones que permite relacionar un resultado con un estándar de referencia.
Matriz Simple: Sistema que contiene el analito disuelto en agua.
Matriz Compleja: Sistema que contiene un solvente y analitos limitados, con posibles interferencias.
Lixiviación: Proceso de extracción de sustancias de un sólido mediante un líquido, que puede ser natural o inducido.
Purga: Eliminación de burbujas de aire o residuos de la punta de una bureta o sistema.
Filtración: Método de separación de sólidos de líquidos utilizando un filtro, puede ser por vacío o gravedad.
Tarar: Llevar un recipiente o balanza a un peso constante (cero) para realizar mediciones exactas.
Desecar: Eliminar la humedad de una sustancia.
Macerar: Extracción física, por ejemplo, moler hierbas para extraer su líquido.
Interferencia: Cualquier factor que afecte la exactitud o precisión de un análisis.
Química Analítica: Rama de la química que se encarga del estudio y análisis de la composición de la materia.
Análisis Químico: Aplicación de métodos analíticos para determinar la composición de una muestra (ej. gravimetría).
Cloruros: Sales de cloro presentes en agua purificada (se utiliza el método de Mohr para su determinación).
Método de Mohr: Método para la determinación de cloruros que utiliza nitrato de plata y dicromato de potasio como indicador, formando AgCl.

Clasificación de Soluciones y Métodos de Separación

Solución Saturada: Contiene la máxima cantidad de soluto disuelto a una temperatura dada; el exceso de soluto se precipita.
Solución Sobresaturada: Contiene una cantidad de soluto disuelto mayor que la que correspondería al equilibrio de saturación, siendo una solución inestable que tiende a precipitar el exceso de soluto.
Solución Insaturada: Contiene una cantidad de soluto menor a la máxima que puede disolverse a una temperatura dada.
Solución Normalizada: Solución cuya concentración ha sido determinada con exactitud frente a un estándar primario.
Técnica: Principio científico utilizado para obtener información sobre la composición de la materia (ej. volumetría).
Método: Adaptación particular de una técnica para un proceso concreto (ej. determinación de cloruros por el método de Mohr).
Procedimiento: Directrices escritas necesarias para llevar a cabo un método.
Protocolo: Instrucciones detalladas que deben ser seguidas sin excepciones.
Filtración: Separación de sólidos de líquidos mediante un filtro.
Destilación: Separación de líquidos con diferentes puntos de ebullición mediante vaporización y condensación.
Sublimación: Separación de sólidos que pueden vaporizarse sin pasar por la fase líquida.
Extracción: Separación de componentes de una mezcla utilizando un solvente selectivo que disuelve un componente específico.
Cristalización: Separación de sólidos mediante la formación de cristales.
Centrifugación: Separación de sólidos de líquidos por la fuerza centrífuga.
Cromatografía: Separación basada en la movilidad diferencial de sustancias que migran a través de un soporte.
Porcentaje: Unidad de medida relativa.
Lote Analítico: Grupo de muestras que se analizan conjuntamente.
Estándar Central: Una solución que contiene únicamente agua y el analito de interés.
pH: Medida de la acidez o alcalinidad de una solución, expresada en unidades de pH, relacionada con la concentración de iones hidronio (H3O+).

Gravimetría y Métodos Instrumentales

Principios de Precipitación y Gravimetría

Precipitación: Formación de un sólido insoluble a partir de una disolución.
Volatilización: Conversión de una sustancia a estado gaseoso.
Extracción: Separación de componentes de una mezcla usando un disolvente.
Deposición Electrolítica: Formación de un sólido mediante el uso de electricidad.
Complejación: Reacción entre un ion metálico y moléculas o iones (ligandos) para formar un complejo.
Adsorción: Acumulación de iones en la superficie de un sólido.

Exigencias de la Precipitación

El precipitado debe ser tan insoluble que la cantidad del constituyente buscado que permanezca en solución sea insignificante.
Los otros constituyentes presentes en la solución no deben ser precipitados por el reactivo ni interferir con la precipitación del analito.
El precipitado no debe quedar contaminado con sustancias solubles presentes en la solución.
El precipitado debe ser fácilmente filtrable y lavable, quedando libre de impurezas solubles.

Clasificación de los Precipitados

Cristalinos: Partículas grandes que se asientan fácilmente.
Coloidales: Partículas de tamaño intermedio.
Gelatinosos: Partículas pequeñas, de aspecto gelatinoso y viscoso.
Caseosos: Partículas pequeñas que se forman rápidamente, resultando en una solución turbia.
Granulares: Partículas en forma de gránulos.

Etapas de la Formación de un Precipitado

Para que un precipitado sea útil, debe ser fácil de obtener y de separar.

Nucleación: Formación de un número mínimo de átomos, iones o moléculas que inician la formación del precipitado.
Crecimiento de Partículas: Aumento del tamaño de los núcleos formados.

Conceptos clave para entender la precipitación:

Solubilidad: Cantidad máxima de una sustancia que puede disolverse en un solvente a una temperatura dada.
Sobresaturación: Estado en el que una solución contiene una cantidad de soluto disuelto mayor que la que correspondería al equilibrio de saturación.

Tipos de Precipitado

Coloidal: Partículas de tamaño micrométrico que no sedimentan y no pueden filtrarse con métodos comunes (ej. Óxido de hierro III).
Cristalino: Partículas de tamaño milimétrico que sedimentan con facilidad y pueden filtrarse usando una gran variedad de medios (ej. AgCl).

Gravimetría

Consiste en separar y pesar un elemento o compuesto de composición química conocida para determinar su cantidad.

Vaporización o Volatilización: Se elimina la parte volátil del analito mediante calentamiento.
Electrogravimetría: Se hace pasar corriente eléctrica por una solución, y el catión a determinar se deposita en el cátodo (ej. Cu).
Gravimetría por Precipitación: Requiere una reacción que genere un producto lo más insoluble posible.

Pasos en la Gravimetría por Precipitación

Precipitación: Se realiza en un vaso de precipitación; el volumen de líquido no debe superar la mitad de su capacidad. Se puede ajustar el volumen entre 100 y 200 mL con agua. La solución debe estar diluida y el reactivo precipitante se agrega generalmente sobre la solución caliente y con agitación.
Separación y Lavado del Precipitado: Se deja decantar y luego se separa el precipitado. El material de filtración a usar dependerá de si el precipitado se va a desecar o calcinar.
Tratamiento del Precipitado: Una vez obtenido el precipitado, se debe desecar o calcinar, de acuerdo con la técnica elegida. La desecación se lleva a cabo en estufas entre 105 y 120 ºC y sirve para eliminar la humedad.
Peso Constante y Pesada Final: Se debe dejar enfriar a temperatura ambiente antes de pesar. Una vez frío, se pesa y este proceso se repite hasta obtener dos pesadas consecutivas iguales, lo que corresponde a la pesada final. (Equipo: horno, desecador, balanza. Criterio de peso constante: ±0.0005 g, según NMX-AA-034).

Operaciones Generales en Química Analítica

Muestreo, precipitación, filtración, lavado de precipitados, secado y calcinación de precipitados.

Iones y Métodos Electroanalíticos

Ion: Átomos o moléculas con carga eléctrica positiva o negativa, debido a un número desigual de protones y electrones.
Cationes: Iones que pierden electrones, adquiriendo carga positiva.
Aniones: Iones que ganan electrones, adquiriendo carga negativa.

Propiedades de los Iones

Son altamente reactivos.
Reaccionan con iones de carga opuesta para formar compuestos neutros.

Clasificación de los Iones

Monoatómicos: Compuestos por un solo átomo.
Poliatómicos: Compuestos por más de un átomo.

Ionización: Proceso por el cual un átomo o molécula se convierte en un ion.
Valorante: Solución cuya concentración se determina con exactitud mediante una valoración con un estándar primario.

Tratamiento de Muestra

Tratamiento: Cambio de estado físico o químico de la muestra para su análisis.
Pretratamiento: Acondicionamiento de la muestra antes del análisis.

Fase: Porción homogénea de un sistema.
Sistema Homogéneo: Formado por una única fase.
Sistema Heterogéneo: Formado por más de una fase.
Transición de Fase: Conversión de una fase a otra.
Regla de las Fases: Principio para caracterizar sistemas termodinámicos.

Potenciometría: Medida de potenciales eléctricos, expresados en milivoltios (mV), utilizada para calcular el pH mediante una relación logarítmica.

Medición del pH (25°C)

Neutralización: Reacciones ácido-base.
Precipitación: Formación de complejos (dependiente del pH).
Coagulación: Proceso que involucra compuestos químicos.
Desinfección: Eliminación de bacterias.
Control de Corrosión: Relacionado con la acidez mineral.

Métodos Electroanalíticos

Son procesos instrumentales empleados para diversos análisis, como electrogravimetría, conductimetría, amperometría y voltametría.

Utiliza un electrodo de referencia.
Requiere la presencia de un electrodo de trabajo.

Espectrometría y Curvas de Calibración

Espectrometría: Técnica que permite la identificación de longitudes de onda (nanómetros, nm).
Cromógeno: Sustancia responsable de la formación de un complejo coloreado.
Ley de Lambert-Beer: Relaciona la absorbancia de una solución con la concentración del analito y la longitud del camino óptico.

Curva de Calibración

Coeficiente de Correlación: Valor cercano a 1 indica una buena linealidad.
Proporcionalidad: La respuesta es proporcional a la concentración.
Linealidad: La relación entre concentración y respuesta es lineal.
Criterio de Linealidad: Coeficiente de correlación (R²) típicamente > 0.997 o 0.999.
Eje X (Concentración): mg/L.
Eje Y (Respuesta): Absorbancia (Abs).

Espectroscopia UV-Visible

Se utiliza para identificar grupos funcionales de moléculas y determinar la concentración o pureza de una sustancia.

UV-Vis: Se basa en la absorción de luz por complejos coloreados.
Absorción Atómica: No requiere la formación de un complejo coloreado.

Instrumentación UV-Vis

Componentes básicos:

Fuente de energía (luz).
Seleccionador de longitud de onda (monocromador).
Recipiente para muestras (cubeta).
Detector.
Procesador de señal.

Absorción: Proporcional al número de moléculas absorbentes.
Fracción de Luz Incidente Absorbida: Independiente de la intensidad de la luz incidente.

Cromatografía y Teorías Ácido-Base

Fundamentos de Cromatografía

Cromatografía: Proceso de separación de los componentes de una mezcla, fundamental para la cuantificación.
Principios Físico-Químicos: Se basa en diferencias de cargas, polaridad y afinidad por las fases.
Aplicación: Técnica de separación con aplicación directa a compuestos orgánicos y, en algunos casos, a compuestos inorgánicos.
Mecanismo: La mezcla a separar se introduce en la fase móvil, la cual es impulsada a moverse a través de la fase estacionaria contenida en una columna. Los componentes de la mezcla se separan debido a su diferente afinidad por la fase estacionaria, lo que provoca que se transporten a distintas velocidades en la fase móvil.

Fase Estacionaria: Soporte donde ocurre la separación (determinada por polaridad y selectividad).

Clasificación de la Cromatografía por Fase Estacionaria

Cromatografía Plana: En capa fina (adsorbente sobre soporte) y en papel.
Cromatografía en Columna.

Fase Móvil: Fase de arrastre (gas inerte o líquido).

Clasificación de la Cromatografía por Fase Móvil

Cromatografía de Líquidos.
Cromatografía de Gases: Utiliza gases como He, H2, N2, O2, Ar.
Cromatografía de Fluidos Supercríticos: Utiliza fluidos en estado supercrítico.

Subclasificación según la Combinación de Fases

Líquido-Sólido.
Líquido-Líquido.
Gas-Sólido.
Gas-Líquido.

Adsorber: Proceso por el cual moléculas, átomos o iones se adhieren a una superficie.
Absorber: Proceso por el cual una sustancia penetra en el volumen de otra.

Calidad y Muestreo en Química Analítica

Características de los Métodos Analíticos

Exactitud: Grado de concordancia entre el valor obtenido de la concentración del analito en la muestra y el valor verdadero.
Precisión: Grado de concordancia mutua entre un grupo de resultados obtenidos al aplicar repetitiva e independientemente el mismo método analítico a alícuotas de la misma muestra.
Sensibilidad: Capacidad de un método analítico para discriminar entre concentraciones semejantes del analito en la muestra, o capacidad para detectar (análisis cualitativo) o determinar (análisis cuantitativo) pequeñas concentraciones del analito en la muestra.
Selectividad: Capacidad de un método para generar resultados que dependan de forma exclusiva del analito para su identificación o cuantificación en la muestra.
Robustez: Propiedad de un método analítico que describe su resistencia a cambios en la respuesta (resultado) cuando se aplica a alícuotas de la misma muestra variando ligeramente las condiciones experimentales. Permite identificar y cuantificar los “puntos débiles” experimentales.
Confiabilidad: Capacidad de un método para mantener su exactitud y precisión a lo largo del tiempo.

Clasificación de Métodos Volumétricos y Gravimétricos

Métodos Volumétricos

Ácido-Base (Neutralización): Reacciones entre ácidos y bases de diversa fuerza.
Precipitación (Argentometría): Reacciones que involucran la formación de precipitados, como las titulaciones con ion Ag+ (para cloruro, ioduro, tiocianato), sales mercúricas (para sulfuro), o dicromato/molibdato (para Pb).
Complejos Monodentados: Formación de complejos con un solo punto de unión, ej. Ag+ o Ni2+ con cianuro; Fe3+ con fluoruro; Cianuro con Ag+; Hg2+ con yoduro; Yoduro con Sb3+, Bi3+.
Complejos Polidentados (Complejometría): Formación de quelatos con agentes como EDTA (para Mg, Co, Cd, Zn).
Oxidimetrías: Titulaciones basadas en reacciones de oxidación, ej. Permanganato (para Fe, Ca); Dicromato (para Fe, Sn); Bromato (para As, Sb); Iodato (para Sn, Fe); Yoduro (para Sb, Cu, Ni); Yodo (para As, Hg, Cd).
Reductimetrías: Titulaciones basadas en reacciones de reducción, ej. Tiosulfato (para yodo); Hidroquinona (para Cr, Ce, V).

Formación de Precipitados

Reducción Química: Obtención de componentes en estado elemental (ej. Ag, Hg, Au).
Precipitados Inorgánicos: Ej. Haluros (Ag, Hg); Sulfuros (Hg, Zn); Óxidos (Cu, Cr); Sulfatos (Pb, Ca); Carbonatos y Percloratos.
Precipitados Orgánicos: Ej. Oxinatos (Cu, Mo, Nb, Mg); Dimetilglioximatos (Ni, Pd); Cupferratos (Fe, Ti, V).

Muestreo y Preparación de Muestras

Etapas del Muestreo

Identificación de la población a estudiar.
Toma de una muestra bruta.
Reducción de la muestra bruta a una muestra de laboratorio.

Tipos de Muestras

Representativa: Composición y propiedades similares al conjunto total de la muestra.
Selectiva: Obtenida en el muestreo de zonas específicas.
Sistemática: Obtenida siguiendo un procedimiento sistemático predefinido.
Aleatoria: Obtenida al azar.
Compósita: Formada por la combinación de dos o más submuestras.

Tipos de Muestreo

Proceso de selección de una porción que represente o proporcione información sobre el sistema en estudio (población).

Intuitivo: Basado en la experiencia previa con un tipo particular de muestra.
Estadístico: Basado en un modelo estadístico previamente validado.
Sistemático: Siguiendo un protocolo que especifica el tipo, tamaño, frecuencia, periodo y lugar del muestreo.

Teorías Ácido-Base y Volumetrías Específicas

Teoría de Arrhenius: Un ácido es una sustancia que se ioniza en agua para producir iones hidrógeno (H+), y una base produce iones hidroxilo (OH-).
Teoría de Brønsted-Lowry: Un ácido es una especie que cede un protón (H+), y una base es una especie que acepta un protón. También conocida como teoría protónica. (Ej. AH + B ⇌ A- + BH+).
Teoría de Lewis: Un ácido es una especie que acepta un par de electrones, y una base es una especie que cede un par de electrones. (Ej. :A + :B → A-B).

Tipos de Volumetría

Por Retroceso: Se utiliza cuando la reacción directa es lenta o no tiene un punto final claro. Se añade un exceso conocido de reactivo y luego se valora el exceso. Ej. Determinación de Nitrógeno total (mg/L de Nitrógeno) usando H2SO4 para titular la muestra y una solución de Na2CO3 como referencia (puede ser un estándar primario o una solución preparada a partir de uno).
Neutralización (Ácido-Base): Determinación de alcalinidad o acidez (ej. mg Na2CO3/L). Se utilizan NaOH o HCl como titulantes, y el biftalato de potasio como estándar primario.
Precipitación (Argentometría): Determinación de cloruros (mg/L) utilizando AgNO3 como titulante y NaCl como estándar de referencia.
Complejometría: Determinación de dureza en agua (Ca y Mg, expresada en mg CaCO3/L) utilizando EDTA como titulante y una solución o estándar primario de CaCO3 como referencia.
REDOX (Oxido-Reducción): Determinación de DBO5, sulfuros (mg/L). Se utiliza tiosulfato de sodio como titulante y almidón como indicador.

Volumetría por Neutralización: Proceso en el que se hace reaccionar un ácido con una cantidad equivalente de base para determinar la concentración de uno de ellos.
Volumetría por Complejometría: Se basa en la formación de complejos estables (quelatos) entre un ion metálico y un agente complejante (titulante), como el EDTA, para titulaciones exactas de iones metálicos.
Volumetría por Precipitación (Argentometría): Se basa en la formación de un precipitado insoluble. En el método de Mohr, cuando una solución que contiene iones cloruro o bromuro se valora con una solución de nitrato de plata en presencia de cromato de potasio, se forma un precipitado de haluro de plata. Una vez que todo el halógeno ha reaccionado, un ligero exceso de iones plata reacciona con el cromato para formar cromato de plata (Ag2CrO4), un precipitado rojo-ladrillo que indica el punto final de la reacción.

Fundamentos de Química Analítica: Conceptos Clave y Métodos de Laboratorio