ANALISIS DE MUESTRAS QUIMICAS QUIMIC AS – ENSAYOS ENSAYOS DE CARACTERIZACION DE MUESTRAS QUIMICAS TECNOLOGIA QUIMICA INDUSTRIAL
JUAN CARLOS TRONCOSO PRECIADO PROFESOR ALEXANDER COY
CENTRO DE GESTION INDUSTRIAL BOGOTA D.C. 2008
INTRODUCCION El muestreo puede definirse como la ciencia que desarrolla y mejora métodos e instrumentos para obtener información sobre la composición y naturaleza química de la materia. Dentro de la Química Analítica se incluye el Análisis Químico que es la parte práctica que aplica los métodos de análisis para resolver problemas relativos a la composición y naturaleza química de la materia. Los ámbitos de aplicación del Análisis Químicos son muy variados, en la industria destaca el control de calidad de materias primas y productos acabados; en el comercio los laboratorios certificados de análisis aseguran las especificaciones de calidad de las mercancías; en el campo médico los análisis clínicos facilitan el diagnostico de enfermedades. Es interesante realizar una definición de términos ligados al análisis: Muestra: Parte representativa de la materia objeto del análisis. Analito: Especie química que se analiza. Técnica: Medio de obtener información sobre el analito. Método: Conjunto de operaciones y técnicas aplicadas al análisis de una muestra. Análisis: Estudio de una muestra para determinar sus composición o naturaleza química. Dentro de la Química Analítica también pueden diferenciarse diversas áreas según la información que se desea obtener. obtener. Así, la Química Analítica Cualitativa se centra en identificar la presencia o ausencia de un analito, mientras que la Química Analítica Cuantitativa desarrolla métodos para determinar su concentración.
1. DEFINA TENICA, METODO, PROCEDIMIENTO Y PROTOCOLO DEFINICIÓN DE TECNICA, MÉTODO, PROCEDIMIENTO Y PROTOCOLO Es necesario distinguir entre los términos técnica analítica y método analítico. Una técnica es un fenómeno científico fundamental que es útil para proveer información sobre la composición de las sustancias, la espectrofotometría de luz infrarroja es un ejemplo de técnica analítica. Un método es una aplicación específica de una técnica para resolver un problema analítico, el análisis de luz infrarroja de copolímeros de estireno de acrilonitrilo es un ejemplo de método analítico. Otros dos términos asociados con el análisis químico son procedimiento y protocolo. Un procedimiento son las instrucciones escritas para l levar a cabo un método. Un procedimiento asume que el usuario tiene un conocimiento previo sobre metodología analítica, y por ello, no provee gran detalle, únicamente un esbozo de los pasos a seguir. Continuando con el ejemplo, el procedimiento para el análisis de copolímeros estireno de acrilonitrilo implica la extracción de del estireno residual y de los monómeros de acrilonitrilo del polímero en bisulfito de carbono (este es solamente uno de los pasos del procedimiento completo). En contraste con esto, la descripción más específica de un método es conocida como protocolo. Las instrucciones detalladas deben seguirse, sin excepción, si se quiere que los resultados analíticos sean aceptados para un
propósito dado, como un análisis medioambiental o la determinación de alcohol en_sangre para procedimientos legales____ TECNICA Definir los diferentes tipos de muestreo de acuerdo con la naturaleza de las sustancias Escoger las técnicas de muestreo mas adecuadas para un producto especifico Describir los fundamentos y aplicar el mas adecuado para disolver la sustancia dada Escoger el disolvente adecuado para compuestos inorgánicos y para orgánicos. Para que los resultados de un análisis sean acertados, es necesario que la muestra que se va a analizar sea representativa, es decir, que contenga la misma proporción de componentes que el total del producto. Se puede definir una muestra: 1) como el material sobre el cual se hace directamente una determinación, y 2) como el material del que se toman porciones de una preparación de un sistema susceptible de mediciones que determinen la cantidad de un constituyente deseado. En ambos casos la muestra debe representar con exactitud el conjunto del original.
TÉCNICAS DE MUESTREO La elección de las técnicas de perforación y los métodos de toma de muestras vienen determinado por varios aspectos: - Accesibilidad Accesibilidad y orografía del terreno - Tipo de terreno y materiales a muestrear Muestreo de sólidos. - Columna estratigráfica, litológica y profundidad del nivel freático
Si el material para analizar es homogéneo, basta con tomar una - Tamaño de la muestra muestra suficiente para poder efectuar las - Necesidad de instalación de pozos de control determinaciones necesarias y para - Naturaleza del compuesto a investigar conservar una parte con la que se pueda comprobar un dato, en caso de duda o de inconformidad con los resultados originales. Si el material es homogéneo, el tamaño de la muestra dependerá de la cantidad de dicho material y de la variación del tamaño de sus partículas; cuanto mayor sea el
numero de masas individuales, más grande debe de ser la muestra. Para preparar la muestra se toman pequeñas porciones de diferentes secciones horizontales y verticales del material, que se trituran y se mezclan ; por el método de cuarteo. Durante el muestreo es necesario tener cuidado para prevenir errores debido a la contaminación, oxidación, cambio de humedad y perdida de partículas volátiles y de poco peso. Los métodos de muestreo se pueden clasificar en dos grupos: muestreo mecánico y manual de la cual el primero es más confiable y de menos costo y el muestreo continuo, intermitente y errático. El primero consiste en tomar porciones del material que se encuentra en movimiento mediante una banda transportadora. El intermitente consiste en separar una porción de cada determinado numero de unidades de material, para formar una muestra. En el errático se toman muestras sin orden, y se emplea exclusivamente para materiales homogéneos. Muestreo de líquidos. Cuando se trata de líquidos homogéneos, cualquier porción que se tome es representativa, pero si se trata tr ata de emulsiones y suspensiones es necesario agitar perfectamente antes de tomar la muestra. Si la cantidad de material es muy grande y no se puede agitar fácilmente se puede tomar la muestra a varias profundidades del recipiente. Muestreo de gases Para muestrear un gas se emplean pipetas especiales. Antes de introducir la muestra en la pipeta, es necesario hacer un vacío de aproximadamente de 1 mm de mercurio para evitar contaminación del gas con el aire. A continuación continuación se llena el recipiente dejando una presión superior a la atmósfera.
PREPARACIÓN DE LAS MUESTRAS PARA ANÁLISIS La mayor parte de las determinaciones analíticas se llevan a cabo con soluciones de la muestra, con las siguientes normas de solubilidad:
Los compuestos cuyas moléculas son polares o iónicas son más solubles en disolventes polares que los compuestos no polares, y los compuestos no polares son más solubles en disolventes no polares. De dos compuestos con calores de fusión semejantes, el del punto de fusión mas alto es menos soluble en un mismo disolvente. De dos sólidos con punto de fusión semejantes, el que tenga calor de fusión mas elevado es menos soluble en un disolvente determinado. De dos sustancias con el mismo calor de disolución, su solubilidad en un disolvente determinado guarda la misma proporción de sus puntos de fusión. Los sólidos de elevada energía reticular son insolubles en agua. un gas con temperatura critica y un punto de ebullición mas elevado es más soluble que otro de menor temperatura critica y punto de ebullición más bajo La flexibilidad de algunas moléculas favorece la solubilidad en determinados disolventes. Todos los líquidos normales solubles son entre sí siempre y cuando sus presiones internas sean semejantes. toda sustancia capaz de formar con el agua puentes de hidrógeno es soluble en ella.
METODO Métodos de análisis Métodos clásicos, que se basaban en propiedades químicas del analito. Se incluyen las gravimetrías, las volumetrías y los métodos de análisis cualitativo clásico. Métodos instrumentales, basados en propiedades químico-físicas. La clasificación de los métodos instrumentales se realiza en base a la propiedad que se mide (espectroscópicos, electroanalíticos, térmicos...). Métodos de separación . Se incluyen en este grupo los métodos cuya finalidad es la separación de compuestos para eliminar las interferencias y facilitar las medidas Metodología del proceso analítico
La Química Analítica alcanza sus objetivos mediante una metodología que se fundamenta en la aplicación del método científico. científi co. Desde un punto de vista formal, esta metodología es común a todas las ciencias experimentales y sigue el proceso mostrado en la figura:
Particular de la Química Analítica es la metodología del Análisis Análisis Químico, que puede resumirse en un proceso analítico general consistente en un conjunto de procedimientos realizados para solucionar un determinado problema analítico. En la figura se esquematiza este proceso:
La definición del problema es la primera etapa, en ella se plantea el tipo de análisis que se necesita y la escala de trabajo. Tras ello, debe realizarse la elección del método analítico, aspecto clave para una resolución adecuada del problema. Una vez elegido el método, se procede a su ejecución. Posteriormente, se pasa a valorar los resultados obtenidos para establecer si el problema ha sido resuelto de forma satisfactoria. Si no es así, se debería reiniciar el proceso analítico y replantear el problema. El desarrollo práctico del método analítico consta de tres etapas: Las operaciones previas o preliminares, pueden descomponerse en dos subetapas. En la primera, se realiza una toma de muestra representativa del material a analizar. En la segunda, se lleva a cabo una transformación de la muestra o parte de la misma, de forma que la especie o especies químicas de interés pasen a una forma medible inequívocamente. Esta transformación, de ser necesaria, podría requerir etapas de separación de sustancias interferentes y etapas de reacción qu&icute;mica que hagan m ás sensible y específica la medición de la señal debida al analito. En la etapa de adquisición de datos tiene cada vez más importancia la instrumentación analítica. El proceso de medida instrumental básico puede separarse en tres etapas: la generación de un flujo de energía, la interacción de este flujo con la muestra y la medición y procesado de la señal procedente de la muestra. Por último, la etapa de tratamiento de datos consiste en el procesado matemático de los datos para obtener unos resultados que den el valor mós probable de la información buscada, así como la incertidumbre que la acompaña.
Características de calidad de los métodos analíticos
Exactitud: Grado de concordancia entre el resultado y un valor de referencia certificado. En ausencia de exactitud se tiene error sistemático. Precisión: Grado de concordancia entre los datos obtenidos de una serie. Refleja el efecto de los errores aleatorios producidos durante el proceso analítico. Sensibilidad: Capacidad para discriminar entre pequeñas diferencias de concentración del analito. Se evalúa mediante la sensibilidad de calibración, que es la pendiente de la curva de calibración a la concentración de interés. Límite de detección: Concentración correspondiente a una señal de magnitud igual al blanco más tres veces la desviación estándar del blanco. Intervalo dinámico: Intervalo de concentraciones entre el límite de cuantificación (LOQ) y el límite de linealidad (LOL). Selectividad: Cuantifica el grado de ausencia de interferencias debidas a otras especies contenidas en la matriz. Seguridad: Amplitud de condiciones experimentales en las que puede realizarse un análisis.
Además, habrá que considerar otro tipo de parámetros asociados y de gran importancia práctica como son la rapidez, costo, seguridad del proceso, peligrosidad de los residuos, etc. Un mecanismo muy indicado para conocer la calidad del método analítico es participar en programas de intercomparación con otros laboratorios. En ellos, un organismo independiente evalúa los resultados, tanto en exactitud como en precisión, sobre muestras enviadas a los laboratorios participantes. Los resultados de la intercomparación permiten corregir los errores de funcionamiento del método analítico y, y, una vez comprobada la calidad del mismo, obtener la homologación del laboratorio para realizar los análisis. La homologación requiere la puesta en marcha de un programa de garantía de calidad, que permita controlar el funcionamiento global del laboratorio.
Trazabilidad de los resultados analíticos
La calidad de los resultados analíticos exige e xige que estos sean trazables, esto es que puedan relacionarse directamente con las unidades patrones del sistema internacional de medida (amperio, kilogramo, mol, metro y segundo). La trazabilidad exige una cadena ininterrumpida de comparaciones que une el resultado obtenido con los estándares del sistema internacional y que, en análisis químico, pasa por las sustancias de referencia, los patrones químicos tipo primario y secundario, los estándares físicos, los pesos atómicos, etc. El concepto de trazabilidad se aplica tanto al resultado de un análisis, como a una medida cualquiera, al instrumento con el que se obtiene, el método que se aplica y el laboratorio mismo. Cuando un resultado es trazable implica que ha sido obtenido en un laboratorio trazable, aplicando instrumentos trazables y un método trazable. En un método absoluto como la gravimetría la cadena de trazabilidad es corta: Muestra---precipitado---masas atómicas----mol, Kg En un método relativo como una volumetría la cadena es más larga: Muestra---patrón secundario---patrón primario---masas atómicas----mol, Kg PROCEDIMIENTO
Tipo de recipiente Los recipientes más utilizados para la toma de muestras son de vidrio sódico, de borosilicato (Pirex, Jena), de polietileno, politetrafluoruro (Teflón), (Teflón), etc.. En cada caso deben ser cuidadosamente elegidos en función de los parámetros que se desee determinar. determinar. Algunas de las características a tener en cuenta son: El vidrio blando puede incrementar el sodio, la sílice y el boro por disolución del vidrio, aunque no
afecta a la mayoría de los iones presentes en el agua (cloruros, sulfatos, calcio, magnesio,..) En los envases no deben producirse pérdidas por evaporación, como puede suceder en los de propileno blando. Asimismo, Asimismo, no debe haber disminución en la concentración de determinados constituyentes por adsorción, como ocurre con los detergentes en muchos tipos de plástico y vidrio. El manganeso tiende a lixiviarse lentamente en los envases de vidrio borosilicatado, así como el plomo en cantidades apreciables, el cinc y el arsénico. Por otra parte, los l os envases de plástico pueden introducir sustancias orgánicas en la muestra. Igualmente, el ión fosfato puede ser adsorbido por el polietileno. Para la toma de muestras destinadas al análisis bacteriológico se suelen utilizar frascos de vidrio de borosilicato o de propileno.
Preparación del recipiente Una de las operaciones más importantes es la limpieza de los recipientes. Por regla general, los recipientes de vidrio o de plástico se limpian enjuagándolos previamente dos o tres veces y luego llenándolos con una solución de ácido clorhídrico 1M (10% en volumen) y dejándolos de 10 a 12 horas (esta solución se puede volver a usar). A continuación se enjuagan con agua destilada, empleando aproximadamente 1/3 del volumen de la botella en cada enjuagado, hasta que no hay ácido en la misma, lo cual se consigue, en general, al tercer enjuagado. No se recomienda el uso de detergentes porque pueden ser adsorbidos por las paredes de la botella y posteriormente interferir en la determinación de DBO, DQO, materia orgánica, nitrógeno orgánico, fosfatos, detergentes,... Para la determinación de aceites o grasas se utilizan botellas de vidrio de boca ancha con tapón esmerilado lavadas previamente con éter de petróleo y secadas al aire. El análisis de plaguicidas requiere la utilización de recipientes de vidrio con tapón t apón esmerilado para evitar pérdidas por adsorción o volatilización. volatilización. Llenado Si es posible, se recomienda enjuagar varias veces la botella con el agua de muestreo para eliminar posibles residuos en la botella.
Es necesario evitar la existencia de burbujas de aire en la muestra pues puede modificar diversos parámetros (bicarbonatos, calcio,...). Para evitarlo, se recomienda llenar la botella totalmente hasta conseguir un menisco, y cerrar fuertemente con el tapón lleno de agua.
Adición de conservadores conservadores En muchos casos conviene tomar muestras alicuotas para diferentes determinaciones. Cada alicuota debe ser tratada en función de los parámetros a determinar. determinar. Así, en general, para la determinación de metales se añade ácido nítrico (0,5 ml/l); para la determinación de compuestos nitrogenados y DQO se añade cloruro mercúrico (40 mg/l); para carbono orgánico, ácido sulfúrico (2 ml/l); para cianuros, NaOH hasta alcanzar pH 11 o superior. En general, además, es necesario conservar la muestra a 4ºC hasta el momento del análisis, que debe hacerse lo más rápidamente posible y, y, en todo caso, dentro del tiempo recomendado en los manuales (Rodier, Standard Methods, etc..) PROTOCOLO DE MUESTREO PROTOCOLO DE TOMA DE MUESTRA DE: FOLIO Nº 00000 Nº Protocolo Región Sector Fecha Nombre Establecimiento Monitoreador Laboratorio N° Protocolo Laboratorio Especie / Tipo Muestra Método Analítico Toma de Muestra Fecha Hora Identificación de lamuestra ResultadoAusencia /Presencia Temperatura Observaciones Hora de término Toma de Muestra Fecha de recepción de muestra en laboratorio Hora de recepción muestra en laboratorio
Fecha de envío de resultado Firma y Sello Oficial Firma Firma y Sello Jefe del Laboratorio Laboratorio
2. COMO ORGANIZARIA LA SECUENCIALIDAD SECUENCIALIDAD DEL PROGRAMA DE MUESTREO DESDE EL SITIO DE TOMA DE MUESTRAS HASTA EL LABORATORIO Recogida y conservación de muestras Las técnicas de recogida de muestras son simples pero no por ello carentes de importancia. Es necesario seguir unas normas que se refieren a la preparación del recipiente, tipo de recipiente, llenado y tratamiento de las muestras. El recipiente puede ser de vidrio o de polietileno. En todos casos debe estar bien limpio y debe ser enjuagado dos o tres veces con la propia agua a muestrear. La limpieza debe hacerse con ácido (HNO3 ) y después con agua destilada. En la mayoría de los casos es más recomendable el polietileno por su comodidad de manejo, pero en otros, como es el caso de las muestras para la determinación de plaguicidas, es preferible el vidrio. En otros casos, como cuando se pretende medir con precisión gases disueltos o la DBO, se deben usar botellas de cuello ancho con tapón esmerilado y biselado para poder cerrar sin dejar ninguna burbuja de aire (botellas Wrinkler). En cuanto al llenado, es preciso que estén totalmente llenas las botellas y perfectamente cerradas. De esta manera se evitan alteraciones del pH, CO2, gases, alcalinidad y calcio. Para algunas determinaciones, como metales pesados, es conveniente tomar una doble muestra y en una de ellas, estabilizar dichos metales mediante acidificación, que puede hacerse con HCl ó HNO3. En casos excepcionales, sobre todo en verano, las muestras deben conservarse en nevera portátil hasta su llegada al laboratorio. Esto es especialmente importante para muestras en la que haya ha ya que realizar análisis bacteriológicos (tomados en botellas estériles) o para determinaciones muy precisas en las l as que cambios térmicos pueda provocar variaciones iónicas indeseables. Una vez las muestras en el laboratorio, han de seguirse las normas básicas de almacenamiento y análisis que escapan a los objetivos de este curso. Etiquetar la muestra con las especificaciones exactas de su contenido.
4. DENTRO DE LAS HABILIDADES PROFESIONALES DE UN ANALISTA DE LABORATORIO QUE IMPORTANCIA TIENE EL CONOCIMIENTO DE TIPO DE MUESTRA, LA TECNICA DE RECOLECCION Y LA FORMA DE TRANSPORTE EN EL ANALISIS QUIMICO.
El conocimiento de tipo de muestra importa para la recoleccion tratamiento y analisis de aquella para determinar cuanto se debe recoger en que condiciones y como poder transportar la muestra sin alterarla. La tecnica de recoleccion es un procedimiento a seguir para la cali9dad de la muestra al momento de los analisis en el laboratorio. La forma y el equipo del transporte del analito es importante por que en este t rayecto puede cambiar sus compuestos por multiples factores
5. CUALES SON LOS TIPOS DE MUESTRAS MAS TRABAJADOS EN LOS ANALISIS QUIMICOS. 6. EXPLIQUE LOS TIPOS TIPOS DE MUESTRAS MUESTRAS DE ACUERDO ACUERDO CON LAS ESPECIFICACIONES TECNICAS REQUERIDAS CADA UNA
