Química Analítica I DISOLUCION DE MUESTRAS SÓLIDAS La mayoría de los métodos separativos y determinativos utilizados en el análisis químico, se llevan a cabo en solución, por lo que las sustancias sólidas se deben disolver convenientemente para poner en solución los elementos de interés. Esta solución por lo general es acuosa, sobre todo si se trata de materiales inorgánicos. Por otra parte, el hecho de conocer la solubilidad de una muestra, parcial o total, es un dato importante para dilucidar la naturaleza del material. La manera de poner un material en solución depende fundamentalmente de la NATURALEZA de la muestra y la CARACTERISTICA del componente a determinar. Puede ocurrir que se desee determinar el contenido de Na en una muestra heterogénea donde este elemento está contenido solamente en una sal como el NaCl. Entonces, nos debe preocupar únicamente la puesta en solución del NaCl y en dicha solución hacer la determinación correspondiente. Las sustancias empleadas habitualmente como disolventes incluyen: 1. agua 2. ácidos concentrados y diluidos 3. mezclas de ácidos ( agua regia ) fundentes ) 4. sustancias sólidas ( fundentes ) Algunos autores denominan DISOLUCION de una muestra , al , al proceso que utiliza un solvente líquido (generalmente acuoso), y a temperaturas inferiores a los 100 °C, para poner en solución los elementos deseados. El término DISGREGACION se utiliza para expresar una acción más enérgica, tanto en relación a la temperatura y presión, como a la característica de la sustancia empleada en tal caso. Habitualmente se emplean en este procedimiento ácidos fuertes concentrados, solos y en mezclas, a temperaturas por encima de los 120 °C, mientras que en el caso de los sólidos fundidos, las temperaturas pueden sobrepasar los 1000°C. Con ambas sustancias, las cantidades del reactivo empleadas son muy altas. En este término se incluye también el tratamiento de la muestra con sustancias gaseosas, tal es el caso del uso de Cl2. También corresponde mencionar aquí el uso de sistemas cerrados bajo presión (bombas Parr) donde se utilizan ácidos como disgregantes a temperaturas moderadas y elevadas presiones (aproximadamente entre 70 y100 atm y hasta 300 atm).
DISOLUCION Un orden creciente de severidad de una técnica de disolución sería: agua, agua caliente, ácidos diluidos, ácidos concentrados y agua regia. Cada sustancia empleada como disolvente se la debe utilizar primero en frío y después en caliente, y para cuando se trata de ácidos, primero diluido y posteriormente concentrado. Si se desea comprobar que se ha disuelto parte del material, se evaporan unas gotas de la solución obtenida. Si aparece algún depósito quiere decir entonces que efectivamente parte del material
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Química Analítica I se disolvió. Cuando la solución se ha hecho con ácidos concentrados, es necesario eliminar el exceso de ácido por cuanto puede ser perjudicial en el procedimiento posterior. Procedimiento Una vez pesada la muestra se la coloca en un vaso de precipitación, el que debe cubrirse con un vidrio reloj con el lado convexo hacia abajo. El solvente se agrega con mucho cuidado, utilizando para ello una varilla de vidrio apoyada contra la pared del vaso a efectos de evitar salpicaduras.
ENSAYOS DE SOLUBILIDAD 1. Agua Al tratar de disolver una sustancia en agua y posteriormente calentar, además de observar la disolución en si, se debe verificar el desprendimiento de gases tales como: O2, H2S, HCl , HBr, HI, H3 N; puede haber, además, un cambio de pH y formación de un compuesto insoluble.
2. HCl Algunas sales (y compuestos naturales) desprenden gases cuando son tratados con HCl. Dichas sales provienen de ácidos débiles, como es el caso del CaCO3. Los volátiles producidos en estos casos son CO2, H2S. El reconocimiento de carbonatos en muestras naturales se hace habitualmente por reacción con HCl, para observar el deprendimiento de CO2. La disolución con HCl puede producir también compuestos insolubles: cloruros de Ag+, Pb2+, Hg22+. En general, el HCl es un buen disolvente de los óxidos.
3. HNO3 El ácido nítrico, además de disolvente es un agente oxidante muy utilizado y en especial cuando la muestra contiene materia orgánica. El HNO3 es un buen disolvente de los metales por cuanto se combina la acción oxidante y la de ácido propiamente dicho. Cu + 2 HNO 3 + 2 H+
⇒
Cu2+ + 2 NO2 + 2 H2O
4. HCl - HNO3 (3 volúmenes de HCl ∼ 12 M + 1 volumen de HNO3 ∼ 15 M ) Esta mezcla conocida con el nombre de agua regia, es un importante disolvente de sulfuros metálicos, Au y Pt. Es una combinación de poder oxidante y complejante, al que se suma el de ácido propiamente dicho. En algunos casos se puede reemplazar la acción oxidante del HNO3 por KClO3
DISGREGACION DE RESIDUOS INSOLUBLES EN ACIDOS En algunos casos puede quedar un residuo insoluble después de tratar una muestra con agua o ácidos. En tal caso debe procederse a una disgregación, lo que permitirá una posterior disolución en agua o ácidos.
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Química Analítica I Hay sustancias a las que inicialmente deben disgregarse en forma enérgica por cuanto el agua o los ácidos no tienen efectos sobre ellas. Se incluyen aquí muchas muestras de origen natural (óxidos de Al, Fe, Cr, etc y silicatos en general ). La disgregación es un procedimiento por medio del cual, una muestra o residuo insoluble se pone en contacto con otras sustancias sólidas, por lo general mezclas salinas, o con ácidos fuertes o sus mezclas en condiciones muy enérgicas. En general, los disgregantes son sustancias muy reactivas a lo que se le agrega la acción de la temperatura y en algunos casos de la presión (bombas Parr). En las disgregaciones que utilizan sustancias sólidas como fundentes, la efectividad de la operación se debe a las elevadas temperaturas de la misma, como también a la alta concentración de reactivo. Los fundentes alcalinos (Na2CO3, NaOH, Na2O2 ), se emplean para disgregar sustancias de naturaleza ácida (ej. silicatos). Los fundentes de naturaleza ácida (KHSO4) con sustancias alcalinas (Fe2O3). Para las sustancias anfóteras, se emplean fundentes ácidos y básicos. Los fundentes oxidantes (Na2O2) se emplean frente a sustancias oxidables (FeO).
PRINCIPALES AGENTES DISGREGANTES 1. DISGREGACIÓN ALCALINA I Alcalina simple Disgregante: Na2CO3 o Na2CO3 - K 2CO3 ( 1:1 ) Las sustancias que se disgregan en este caso son: sulfatos alcalinos térreos ( SrSO4 BaSO4 ), silicatos y SiO2, entre otros. Si se emplea Na2CO3, la temperatura de fusión debe sobrepasar los 850 °C (punto de fusión del carbonato). En cambio cuando se usa la mezcla Na2CO3 - K 2CO3, la temperatura de fusión es 750 °C, pues forman un eutéctico con ese punto de fusión.
Disgregante: KOH - NaOH Estos hidróxidos pueden emplearse como sólidos o soluciones concentradas. Las sustancias que se disgregan son: halogenuros de Ag, cianuros, silicatos minerales que no se pueden atacar con mezclas de ácidos.
II Alcalino-oxidante Disgregante: Na2CO3 + KNO3 ( 5 : 2 ) Na2CO3 + Na2O2 ( 1 : 1 ) Con estas sustancias se disgregan: sulfuros y arsenosulfuros, sales de Cr anhidras o calcinadas
2. DISGREGACION ACIDA Ácidos concentrados Se emplean en este caso, H2SO4, HClO4, HCl, HF, solos o mezclados con otros ácidos. Las sustancias que se pueden disgregar incluyen: mezclas inorgánicas y orgánicas, fosfatos naturales, carbono, fósforo, fluoruros y fluorsilicatos
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Química Analítica I El H2SO4 concentrado y en caliente, solo o mezclado con otros ácidos (HNO3) se utiliza en la disgregación de sistemas con materia inorgánica y orgánica, como los materiales biológicos, para la determinación de iones metálicos. El ataque se hace en matraces tipo Kjeldahl, calentando directamente a la llama. Este procedimiento es el que se conoce habitualmente como mineralización, y es utilizado siempre que hay materia orgánica en cantidades importantes en la muestra. El HClO4 también se usa en casos similares solo que al contacto con la materia orgánica puede producir explosiones debido a la liberación violenta de gases, particularmente CO2. Por tal razón es común usar inicialmente HNO3 o H2SO4, y una vez eliminado el reductor (materia orgánica ), proseguir el ataque con HClO4.
MATERIALES EMPLEADOS Cuando se realizan disgregaciones utilizando ácidos concentrados en caliente, los elementos apropiados son:
Vidrio: si entre los ácidos no se encuentra el HF ( recordar que este ácido ataca el vidrio). La temperatura con este material no debe superar los 500 °C (vidrio pyrex ).
Teflón: utilizado en sistema abierto (vaso) o cerrado (tipo bomba Parr). Este material es muy importante cuando la disgregación con ácidos emplea HF, ya que a diferencia del vidrio, no es atacado. La temperatura máxima a que se puede usar el teflón es de 250 °C, por encima de la cual el material se descompone. Las bombas tipo Parr, son vasos de teflón con tapa hermética, conjunto al que se le coloca una cubierta de acero inoxidable que posee un cierre a rosca. Las disgregaciones se realizan en medio ácido con HF y se utiliza fundamentalmente cuando se desea disolver silicatos. Admite temperaturas de 120 °C, aunque hay algunas más robustas que toleran hasta 250 °C. No se deben incluir entre los ácidos aquellos que reaccionen con el teflón, cual es el caso del HClO4.
Platino: Se puede utilizar con cualquier mezcla ácida excepto el agua regia que lo ataca . Entre los crisoles empleados para las fusiones encontramos : porcelana y cuarzo: disgregaciones con fundentes alcalinos, sean estos oxidantes, reductores o sulfurantes.
platino: (punto de fusión: 1774 °C ) se realizan fusiones con Na2CO3; Na2CO3 + K 2CO3; Na2CO3 + KNO3. No debe aparecer cloruro en el medio puesto que ataca el Pt por formación de K 2PtCl6. Las disgregaciones ácidas con KHSO4 o con ácidos concentrados incluyendo el uso de HF, se llevan a cabo también en crisoles o cápsulas de Pt. Por su importancia en el análisis y elevado precio, los crisoles de Pt deben utilizarse con el debido cuidado.
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DIGESTION DE MUESTRAS BIOLOGICAS La cantidad de minerales en los alimentos se determinan mediante procedimientos analíticos sobre las cenizas de las muestras incineradas. El proceso de incineración destruye los compuestos orgánicos y libera los minerales existentes. Estos métodos no incluyen el contenido de nitrógeno de las proteínas, ni otros elementos que se convierten en gases cuando se incineran los alimentos. Los elementos vestigio que se consideran clínicamente relevantes en materiales biológicos pueden clasificarse en tres grandes grupos:
1. Elementos vestigio esenciales: Ca, Cr, Cu, F, Fe, I, Mn, Mo, Se, Si, Sn, V y Zn. 2. Elementos vestigio no-esenciales usados terapéuticamente: Al, Au, B, Bi, Co, Ge, Li y Pt. 3. Elementos vestigio tóxicos y no-esenciales: Ag, As, Ba, Be, Cd, Hg, Ni, Pb, Sb, Te y Tl. En el caso particular del cuerpo humano, los elementos que juegan un rol metabólico también pueden dividirse en varios grupos: 1. Elementos presentes en grandes concentraciones: Na, K, Ca ,Mg 2. Elementos presentes en el nivel de ppm o más bajos, que actúan como carriers de enzimas: Zn, Cu, Ni, Mn, Se, entre otros. 3. Elementos presentes en concentraciones variables y que se comportan como contaminantes: Pb, Cd y Hg. 4. Elementos introducidos como parte de un tratamiento. Los elementos en sistemas biológicos están presentes en forma ligada a un compuesto orgánico, el que está en “exceso” en forma apreciable. La eliminación de materia orgánica y mineralización de estos elementos no solo es deseable sino que forma parte de una etapa crucial que precede a las de separación y medida analítica. Los constituyentes orgánicos por lo general interfieren tanto en la separación como en la medida. Los elementos vestigio son eluidos desde la matriz orgánica hacia una solución acuosa o son separados por volatilización de la materia orgánica. Esta última etapa, usualmente denominada calcinación (ashing) comprende la eliminación de la materia orgánica por conversión a una forma gaseosa. El residuo inorgánico contiene los elementos de interés. Los métodos más importantes para transformar muestras biológicas como tejidos y fluidos adaptables a los sistemas de nebulización y por ende apropiadas para técnicas instrumentales como espectrometrías atómicas, se basan especialmente en la destrucción de la materia orgánica la que puede ser mediante procedimientos por vía seca o húmeda. En cualquier caso el método empleado debe hacerlo evitando todo tipo de contaminación, reteniendo los analitos en el residuo inorgánico y extrayendo los componentes orgánicos de la muestra.
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Química Analítica I PROCEDIMIENTOS POR VIA SECA Este procedimiento se lleva a cabo según dos procedimientos: a.
Elevadas temperaturas
Se realiza en un horno mufla y en varias etapas. La primera consiste en un secado a temperaturas que oscilan entre 105 y 150 ºC, luego una precalcinación entre 200 y 400 ºC para finalmente proceder al calcinado principal entre 450 y 550 ºC. Si no se desean determinar elementos volátiles, el calcinado principal se puede realizar a temperaturas próximas a los 800 ºC. Se debe poner especial cuidado en no elevar la temperatura en demasía puesto que se pueden formar compuestos refractarios difíciles de disolver posteriormente por los métodos tradicionales. Las cenizas resultantes se pueden disolver en ácidos o mezclas de ellos. Se emplean habitualmente HCl, HNO3 y H2SO4. Cuando la muestra tiene cantidades importantes de fosfatos y uratos, es recomendable el empleo final de agua regia como disolvente. La principal ventaja de este método es su simplicidad y las desventajas están relacionadas con las pérdidas por volatilización, largos tiempos de calcinación y contaminación causada por las impurezas introducidas por el aire y el container empleado para la calcinación como es el caso del vidriado con óxido de Ti y Zn en los crisoles de porcelana. b. Bajas temperaturas Las temperaturas empleadas son de 100 a 200 ºC y se calcinan entre 1 y 5 g de muestra en una atmósfera de oxígeno generada por un campo magnético de alta frecuencia. Es útil para aquellos casos en que se desea evitar pérdidas de elementos volátiles como Pb y Cd.
PROCEDIMIENTOS POR VIA HUMEDA Estos procedimientos incluyen la descomposición de muestras empleando ácidos oxidantes, solos o en mezclas, en sistemas abiertos a presión atmosférica o en sistemas cerrados bajo presión. Esto último se hace con el fin de emplear temperaturas mayores que aquellas correspondientes al punto de ebullición de los reactivos y originar presiones elevadas que aceleran el proceso. Se suelen emplear además, agentes oxidantes auxiliares, tal es el caso del peróxido de hidrógeno, los que destruyen la materia orgánica transformado la muestra en un residuo compuesto por sales que son fácilmente solubles en ácidos diluidos.
a. Sistemas Abiertos En estos sistemas se emplean los vasos comunes tipo erlenmeyer y Kjeldahl, con o sin condensadores de reflujo. Cuando la muestra posea elementos volátiles a determinar, es conveniente el empleo de frascos cuello largo a fin de evitar pérdidas. El H2O2 es un reactivo de fuerte poder oxidante que se lo emplea comunmente en combinación con el H2SO4.
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b. Sistemas cerrados En los sistemas cerrados, los ácidos utilizados se pueden calentar a temperaturas mayores incrementando con ello el poder oxidante. Sin embargo, es limitado por la cantidad de muestra que puede utilizarse, puesto que hay una liberación importante de gases con un incremento de la presión. La cantidad de muestra que se emplea habitualmente es 500 mg. En algunos casos se puede hacer una pre-digestión en la misma bomba con lo que se produce la destrucción de gran parte del material orgánico. Esto permite a su vez incrementar la cantidad de muestra. Un aspecto importante de la digestión en sistemas cerrados es que se pueden determinar aquellos elementos volátiles, los que bajo otras circunstancias pueden perderse. Esto se aplica en especial a elementos formadores de hidruros como As, Sb, Se y Te.
PROCEDIMIENTO Un procedimiento por “ vía húmeda “ adecuado para descomposición de muestras biológicas consiste en la colocación de la muestra en un tubo de digestión (42 mm de diámetro y 300 mm de alto) o en un matraz tipo Kjeldahl y agregar 50 mL de ácido nítrico concentrado. Se coloca un tubo refrigerante de aire y se calienta a 60 ºC durante 12 horas. Se eleva luego la temperatura hasta 120 ºC durante una hora y finalmente a 140 ºC pero sin el refrigerante para evaporar hasta unos 10 mL aproximadamente. Se deja enfriar y se agrega con mucho cuidado ácido perclórico calentando posteriormente hasta 220 ºC durante media hora y con el refrigerante colocado. Finalmente se retira el refrigerante y se evapora hasta unos 2 ml aproximadamente. El residuo final se lleva a volumen con agua destilada. El tiempo total empleado en esta digestión lleva 18 horas. El periodo de digestión y el aumento progresivo del poder oxidante, combinando ácidos y temperaturas, evita la formación de compuestos volátiles (especialmente de As, Se y Sb) al mismo tiempo nos da las condiciones enérgicas para romper los órgano compuestos más resistente. El único elemento que se pierde con este método de digestión es el Hg.
DIGESTIÓN POR MICROONDAS En el espectro electromagnético la radiación comprendida entre 300 y 300.000 MHz corresponde a la energía de microondas. De estas frecuencias la más empleada para microondas científico e industriales es 2450 MHz. La importancia de esta técnica es que se logran temperaturas y presiones elevadas en periodos de tiempo muy cortos. Se conocen dos tipos de equipos: 1) industriales y 2) domésticos. Los primeros pueden ser totalmente automáticos, mientras que en los segundos no por lo que se transforman en equipos de mucho cuidado por los accidentes. Los reactores empleados se construyen de materiales transparentes a las microondas como PTFE, policarbonato y polietileno.
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Química Analítica I Las VENTAJAS de ésta técnica pueden resumirse así: 1. Es muy eficiente 2. Es muy escasa la pérdida de volátiles 3. Se reducen considerablemente los tiempos 4. Permite la automatización. Dentro de las DESVENTAJAS podemos citar: 1. Requiere equipo especial (incluidos los reactores). 2. Es un sistema riesgoso. 3. Se procesan pocas muestras. 4. Se requiere personal experimentado. Un procedimiento típico para disgregación de muestras orgánicas con microondas es: 0,250 g de muestra más 1 mL de H2O2 y 3 mL de HNO3 concentrado se deja en reposo por 3 horas. Se expone a las microondas a mitad de su potencia por unos pocos minutos (2 a 5 minutos). Se destapa el reactor para liberar presión (por seguridad) y se procede a entregar más energía por microondas en periodos de 2 minutos hasta disolución total. BIBLI0GRAFIA P.W.J.M. Boumans. Inductively Coupled Plasma Emision Spectroscopy. Part 2. Applications and Fundamentals. John Wiley & Sons. 1987. R.F.M. Herber and M. Stoeppler. Trace Element Analysis in Biological Specimens. Elsevier, Amsterdan, 1994, pag 21-52. A. Taylor, S. Branch, H. Crews, D.J. Halls, L.. M. M. Owen and M White. Atomic Spectrometry Update- Clinical and Biological Materials, Food and Beverages. J. Anal. At. Spectrom. April 1997, Vol 12 ( 119R-221R ). K.S. Subramanian. Determination of metals in biofluids and tissues: sample preparation methods for atomic spectroscopic techniques. Spectrochim. Acta Part B, 1996, 51 291-319. E. Prichard, G.M. Mackay and J. Points. Trace Analysis: a structured approach to obtaining reliable results. The Royal Society of Chemistry.1996.
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