Introducción a la Química Analítica: conceptos fundamentales y aplicaciones

Introducción a la Química Analítica

Química Analítica I Tema 1. Introducción a la Química Analítica Grupo 2° D (Estos contenidos se completarán con los apuntes de clase)

Contenidos de Química Analítica

Concepto y relevancia social El lenguaje de la Química Analítica Clasificación de las técnicas y métodos analíticos Etapas del proceso analítico Propiedades analíticas Evaluación y presentación de resultados Equilibrios sucesivos y cálculos en el equilibrio

Concepto y Relevancia Social de la Química Analítica

1 .- Concepto y relevancia social Dentro de la disciplina científica Química Analítica cabe distinguir entre:

Química Analítica: Ciencia que desarrolla métodos e instrumentos para obtener información sobre la naturaleza y la composición química de la materia.

Análisis Químico: Técnica que aplica los métodos de análisis desarrollados por la Química Analítica (métodos analíticos) a la resolución de problemas relativos a la naturaleza y composición química de la materia.

Se puede decir que el Análisis Químico está incluido en la Química Analítica, es la parte aplicada.

La Química Analítica es una disciplina metrológica puesto que su objeto son los métodos e instrumentos destinados a la medida de información sobre la naturaleza y composición de la materia.

La Química Analítica es una ciencia interdisciplinar pues hace uso de conocimientos de Química, principalmente, pero también de Física, Matemáticas, Ingeniería y Biología. Por otro lado, es una ciencia que asiste a otras ciencias como otras áreas de la Química, Bioquímica, Biología, Medicina y otras más.

1J. J. Baeza Tema 1

Relevancia Social de la Química Analítica

La Química Analítica tiene una gran relevancia social pues es imprescindible en áreas muy diversas como las siguientes:

• Industria: Control de calidad de materias primas, procesos y productos.
• Comercio: Análisis de mercancías para investigar el cumplimiento de especificaciones legales.
• Medioambiente: Evaluación de los niveles de contaminación (aguas, tierras, aire).
• Medicina: Análisis clínicos.
• Legislación: Establecimiento de normas sobre contenidos de compuestos químicos, vertidos, compuestos tóxicos, etc.
• Alimentos: Protección de los consumidores. Establecimiento de alimentos aptos para el consumo.
• Análisis forense: Investigación de causas criminales.

Ejemplos de Análisis y Demandas Sociales

Ejemplos de análisis que responden a demandas sociales

Problema social Solución analítica

Contaminación de un río Análisis de contaminantes en el agua del río

Dopaje en el deporte Determinación de sustancias prohibidas en orina

Adulteración de aceite de oliva Determinación de grasas en el aceite

Toxicidad de un juguete Determinación de metales tóxicos en la pintura

El Lenguaje de la Química Analítica

2 .- El lenguaje de la Química Analítica

Terminología Básica en Química Analítica

Terminología básica.

Problema de análisis: Motivo que desencadena el análisis.

Objeto de análisis: Material que interesa analizar.

Muestra: Parte representativa de la materia objeto de análisis.

Analito: Especie química (elemento o compuesto) que se investiga (se analiza) en la muestra. Pueden interesar una o más especies químicas, es decir, puede haber uno o más analitos en una muestra.

Interferencias o compuestos interferentes: Especies químicas que acompañan al analito en la muestra y dificultan la obtención de un resultado correcto.

Compuestos inertes: Especies químicas que acompañan al analito en la muestra y que no interfieren en el análisis.

Matriz: Componentes de la muestra exceptuando los analitos. Incluye los compuestos interferentes y los inertes (resto de la muestra).

2Introducción a la Química Analítica Química Analítica I

Obtención de Información en Química Analítica

Cómo obtenemos la información:

Análisis: Proceso que proporciona información acerca de la composición o naturaleza de una muestra.

Determinación: Obtención de la identidad (identificación), concentración (cuantificación) o estructura de uno o más analitos, a través del análisis de una muestra.

Técnica analítica: Metodología basada en un principio químico o físico que utiliza para investigar un analito (volumetría, gravimetría, espectrofotometría, potenciometría, cromatografía, etc.).

Método de análisis o método analítico: Serie de operaciones diseñadas para realizar el análisis de una muestra concreta. El método incluye a la técnica.

Procedimiento analítico: Conjunto de instrucciones que deben seguirse para aplicar un método de análisis a la determinación de uno o varios analitos en una muestra.

Protocolo: Documento con el conjunto de instrucciones escritas en las que se detalla el procedimiento, y que deben ser seguidas, sin excepción, para que el resultado analítico sea aceptable. (Algunos ejemplos son Protocolos de Muestreo, Normas de Análisis, Procedimientos Normalizados de Trabajo y Procedimientos Internos)

Subdivisiones de la Química Analítica

Subdivisiones de la Química Analítica

Subdivisiones por Tipo de Información

De acuerdo al tipo de información:

Análisis Cualitativo: Identificación (reconocimiento de la identidad) de una especie química, o detección de un analito: se puede investigar la presencia o ausencia del analito. Puede ser muy complicado si la muestra es compleja.

El resultado se proporciona en base a la detección de propiedades químicas y físicas de la muestra. Se hacen comparaciones con propiedades descritas en la bibliografía u observadas previamente por el analista (uso de testigos).

La respuesta puede acompañarse de una estimación del posible contenido en analito: "El analito no se encuentra por encima de una determinada concentración" "El analito no es detectado con la técnica utilizada" "El analito está presente en concentración superior a ... "

3J. J. Baeza Tema 1

Análisis Cuantitativo: Cuantificación del analito. Se investiga la cantidad o concentración del analito. Es el análisis más usual.

En ocasiones se realiza un análisis semicuantitativo, en el que se hace una estimación del nivel de concentración (muy alto, alto, bajo, ... ). Se desea conocer si el analito está por encima o por debajo de un nivel (es posible que no interese exactamente cuánto hay). Con frecuencia, la información semicuantitativa se establece a partir de las mismas observaciones realizadas en el Análisis Cualitativo.

Análisis Estructural: Investigación de la estructura del analito: la disposición de los átomos en un compuesto químico, los grupos funcionales, y la distribución espacial y temporal de los compuestos en la muestra. Suele ser una combinación compleja de Análisis Cualitativo y Cuantitativo.

Subdivisiones por Naturaleza de los Analitos

De acuerdo a la naturaleza de los analitos, se distingue entre:

Análisis Inorgánico: Se refiere al análisis de especies químicas inorgánicas (en muestras de suelos, minerales, aleaciones, ... ), pero también puede realizarse sobre muestras orgánicas, como las muestras biológicas (análisis de heteroátomos o de iones metálicos).

Análisis Orgánico: Se refiere a las especies químicas orgánicas (fármacos, plaguicidas, ... ). Suele ser más complejo, debido a la mayor cantidad de compuestos y a la similitud de comportamientos. Se ha desarrollado gracias a la aparición de diversas técnicas instrumentales, tales como el Análisis Cromatográfico, la Espectroscopía Infrarroja, la Resonancia Magnética Nuclear y la Espectrometría de Masas.

Análisis Bioquímico: Especies de interés bioquímico (proteínas, enzimas, ADN, ... ). En los últimos 20 años han ido apareciendo las denominadas Ciencias ómicas. El término ómico se utiliza como sufijo para referirse al estudio de una totalidad o conjunto, como genes (Genómica), proteínas (Proteómica) o metabolitos (Metabolómica).

Subdivisiones por Técnica Analítica Empleada

Según la técnica analítica empleada:

• Análisis clásico: Técnicas basadas en propiedades químicas (Gravimetría, Volumetría, Análisis Cualitativo).
• Análisis instrumental: Técnicas basadas en propiedades químico-físicas (Espectrofotometría, Potenciometría, ... ).

Subdivisiones por Campo de Aplicación

Según el campo de aplicación: Análisis industrial, Análisis clínico, Análisis de alimentos, Análisis forense, ...

4Introducción a la Química Analítica Química Analítica I

Niveles de Información en Química Analítica

Niveles de información

La Química Analítica comprende diversas escalas de trabajo. Éstas se refieren al analito o a la muestra.

Un analito se clasifica en función de su concentración en una muestra en componente:

Mayoritario Si su concentración es mayor del 1% (g/100 g o g/100 mL en disolución acuosa)

Minoritario Si la concentración está entre 1 - 0.01%

0.01% = 0.01 g/100 g = 100 µg/go 100 µg/mL =100 ppm (µg=100g).

Traza (100 µg/mL -1 ng/mL o ppb) (ng = 10-9 g)

Subtraza (1 ng/ml - 1 pg/mL o ppt) (pg = 10-12 g)

Ultratraza (< 1 pg/mL)

Obsérvese que en estas unidades se utiliza el criterio americano de billón y trillón: billón = mil millones, trillón = mil billones

Cada una de estas unidades (ppm, ppb y ppt) es mil veces más pequeña que la precedente (factor 10-3): 1 ppm = 103 ppb = 10° ppt

Por su parte, el tamaño de la muestra permite la siguiente clasificación:

Macroanálisis (> 0.1 g)

Semimicroanálisis (0.1 g - 0.01 g)

Microanálisis (0.01 g - 0.001 g)

Submicroanálisis (0.001-0.0001g)

Ultramicroanálisis (< 0.0001 g)

La dificultad en el análisis aumenta: al disminuir la concentración del analito y el tamaño de la muestra, al aumentar la complejidad de la muestra, al aumentar la exigencia en la bondad de los resultados.

5J. J. Baeza Tema 1

Clasificación de Técnicas y Métodos Analíticos

3 .- Clasificación: Técnicas y métodos analíticos

Las técnicas y métodos analíticos se clasifican de acuerdo a distintos criterios.

Clasificación Histórica de Métodos Analíticos

Por razones históricas, se clasifican en:

Técnicas y métodos clásicos: Se trata de los métodos más antiguos, en los que solo se utilizan como instrumentos la balanza y material para medir volúmenes. Basados en propiedades químicas (métodos gravimétricos, volumétricos, análisis cualitativo en tubo de ensayo).

Técnicas y métodos instrumentales: Basados en propiedades químico-físicas (métodos ópticos, eléctricos, ... ).

Técnicas y métodos de separación: Permiten la separación entre el analito y las interferencias para realizar las medidas en condiciones adecuadas.

En ocasiones son técnicas que sólo separan (precipitación, volatilización, extracción, etc.).

Otras técnicas también permiten la identificación y cuantificación del analito mediante el acoplamiento con un detector (técnicas cromatográficas y electroforéticas). Estas últimas técnicas pueden también sólo utilizarse para separar.

Clasificación por Propiedad Analítica Medida

De acuerdo a la propiedad que se mide (propiedad analítica), las técnicas analíticas se clasifican en:

Propiedad general:

Volumen: Volumetría Peso: Gravimetría

Propiedad de la radiación electromagnética:

Absorción de radiación: Espectrofotometría, absorción atómica, ... Emisión de radiación: Fluorescencia, emisión atómica, ... Dispersión de radiación: Turbidimetría, nefelometría, ... Resonancia: Resonancia magnética

Propiedad eléctrica

Potencial eléctrico: Potenciometría Corriente eléctrica: Polarografía, amperometría, ... Resistencia eléctrica: Conductimetría

Otras propiedades:

Razón carga/masa: Espectrometría de masas Propiedades térmicas: Métodos térmicos Radioactividad: Activación neutrónica, espectrometría gamma, ... Velocidad de reacción: Métodos cinéticos (métodos enzimáticos)

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