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Métodos instrumentales de análisis.

• Química para Sistemas.
• Stancato Paolo
• 21/11/2001
• Comisión Nº 61

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bibliografia

• Métodos instrumentales de análisis.
  Willard,H.,Merrit L.,y otros. Grupo
  ed.Iberoamericana, Mexico,1991.
• ANALISIS INSTRUMENTAL. Douglas SKoog and James
  LEARY. Cuarta edición Mc Graw Hill, 1994.

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Introducción

• En los últimos años se han producido
  diversos instrumentos sensibles que han
  incrementado considerablemente la capacidad del
  ingeniero para cuantificar y controlar los
  materiales contaminantes, cuya complejidad va en
  aumento. Los métodos instrumentales de análisis
  tienen aplicación en el monitoreo de rutina de la
  calidad del aire, calidad del agua superficial y
  subterránea, y la contaminación del suelo, como
  también durante el proceso de tratamiento de agua
  y agua residual.
• Éstos métodos han permitido que las
  mediciones analíticas se realicen inmediatamente
  en la fuente, y que el registro se practique a
  una distancia del sitio donde se realiza la
  medición. Además, han permitido ampliar
  considerablemente la variedad de las sustancias
  químicas orgánicas e inorgánicas que se pueden
  controlar, las concentraciones que se pueden
  detectar y cuantificar. En la actualidad se usan
  rutinariamente varios métodos instrumentales para
  investigar la magnitud de la contaminación y para
  controlar la efectividad del tratamiento.

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• Casi cualquier propiedad física de un
  elemento o compuesto puede servir como base para
  un medición instrumental. La capacidad de una
  solución coloreada para absorber luz, de una
  solución para transmitir corriente o de un gas
  para conducir calor puede ser la base de un
  método analítico para medir la cantidad de un
  material y para detectar su presencia.

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Los métodos ópticos de análisis
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Los métodos ópticos miden las interacciones
entre la energía radiante y la materia. Los
primeros instrumentos de esta clase se crearon
para su aplicación dentro de la región visible y
por esto se llaman instrumentos ópticos. La
energía radiante que se utiliza para estas
mediciones puede variar desde los rayos X,
pasando por la luz visible, hasta las ondas de
radio. El parámetro usado más frecuentemente para
caracterizar la energía radiante es la longitud
de onda, que es la distancia entre las crestas
adyacentes de la onda de un haz de radiación.
Los rayos X, de longitud de onda corta, son
relativamente de alta energía y por esta razón
pueden producir cambios marcados en la materia, y
que las microondas y las ondas de radio tienen
longitudes de onda larga y son relativamente de
baja energía los cambios que pueden ocasionar al
interactuar con la materia son muy leves y
difíciles de detectar.
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• Los métodos ópticos de análisis se pueden
  diseñar para medir la capacidad de un material o
  de una solución para absorber energía radiante,
  para emitir radiación cuando son excitados por
  una fuente de energía o para dispersar o difundir
  radiación.

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Métodos de absorción

• Cuando una fuente de energía radiante,
  como un haz de luz blanca, se pasa a través de
  una solución, el haz emergente será de menor
  intensidad que el haz que entra. Si la solución
  no tiene partículas en suspensión que dispersen
  la luz, la reducción en intensidad se debe
  principalmente a la absorción por la solución. La
  medida en que se absorbe la luz blanca es por lo
  general mayor para algunos colores que para
  otros, con el efecto de que el haz emergente
  tiene color.

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Espectrofotometría ultravioleta

• Cuando una molécula absorbe energía
  radiante en la región visible o ultravioleta, la
  valencia o los enlaces electrónicos en la
  molécula se elevan a órbitas de más alta energía.
  Algunos cambios moleculares menores también
  tienen lugar, pero son usualmente enmascarados
  por la excitación electrónica mencionada. El
  resultado es que por lo general se observan
  bandas de absorción moderamente amplias tanto en
  la región visible como en la ultravioleta.
  Existen muchos instrumentos para realizar
  mediciones en ambas regiones.
• La región ultravioleta es de aplicación
  general más limitada, aunque es particularmente
  apropiada para la medición selectiva de
  concentraciones bajas de compuestos orgánicos.

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Espectrofotometría infrarroja.

• Casi todos los compuestos químicos orgánicos
  presentan marcada absorción selectiva en la
  región infrarroja. Sin embargo, el espectro
  infrarrojo es mucho más complejo comparado con el
  ultravioleta o el visible. La radiación
  infrarroja es de baja energía y su absorción por
  una molécula causa toda clase de cambios sutiles
  en su energía rotacional o vibracional. La
  comprensión de estos cambios requiere un gran
  conocimiento de mecánica cuántica, ya que
  sabiendo esto es posible identificar agrupaciones
  atómicas particulares que estén presentes en una
  molécula desconocida.
• Este método se utiliza, por ejemplo, para medir
  la concentración de carbono orgánico total cuando
  hay solo pequeñas cantidades de carbono en el
  agua.

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Métodos de emisión.

• Desde hace mucho tiempo se sabe que muchos
  elementos metálicos, cuando se someten a la
  excitación adecuada, emiten radiaciones de
  longitudes de onda específica. Ésta es la base de
  la conocida prueba de la llama para el sodio (que
  emite una luz amarilla), y para otros metales
  alcalinos y alcalinotérreos. Cuando se utiliza un
  método de excitación mucho más potente en vez de
  la llama, la mayoría de los elementos metálicos y
  algunos no metálicos emiten radiaciones
  características. En condiciones controladas
  apropiadas, la intensidad de la radiación emitida
  a un longitud de onda específica se puede
  correlacionar con la cantidad del elemento
  presente. Por tanto, se puede hacer un
  determinación cuantitativa y cualitativa. Los
  diferentes procedimientos analíticos que utilizan
  la emisión de espectros se caracterizan por el
  método de excitación usado, la naturaleza de la
  muestra (si es sólida o líquida) y el método para
  detectar y registrar el espectro producido.

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Fotometría de llama.

• Este método se utiliza en el análisis del agua
  para determinar la concentración de los metales
  alcalinos o alcalinotérreos como el sodio, el
  potasio y el calcio.
• El espectro emitido por cada metal es diferente,
  y su intensidad depende de la concentración de
  los átomos en la llama.

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Espectofotometría de absorción atómica.

• Aunque éste es realmente un método de absorción,
  se incluye en la espectroscopia de emisión debido
  a su semejanza a la fotometría de llama.
• La espectofotometría de absorción atómica ha
  adquirido amplia aplicación en la ingeniería
  ambiental en la última década debido a su
  versatilidad para la medición de trazas de la
  mayoría de los elementos en el agua. Los
  elementos como el cobre, hierro, magnesio, níquel
  y zinc se pueden medir con precisión hasta una
  pequeña fracción de 1 mg/l.
• La ventaja de la espectofotometría de absorción
  atómica es que es bastante específica para muchos
  elementos. La absorción depende de la presencia
  de átomos libres no excitados en la llama, que
  están presentes en más abundancia que los átomos
  excitados. Por tanto, algunos elementos como el
  zinc y el magnesio, que no son fácilmente
  excitados por la llama y, en consecuencia, los
  resultados con el fotómetro de llama son
  deficientes, se pueden medir fácilmente por el
  método de absorción atómica.

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(No Transcript)
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Espectroscopía de emisión.

• Mientras que los métodos precedentes han sido
  hasta hace poco los más usados en el análisis del
  agua, hay muchos otros métodos de emisión que
  están comenzando a utilizarse más, que emplean
  métodos de excitación más potentes que la llama.
  Estos métodos pueden hacer extensivo el análisis
  a todos los elementos metálicos o no metálicos.
  Los instrumentos de emisión están especial- mente
  adaptados para el análisis de muestras sólidas y
  acuosas, por tanto, se emplean con frecuencia
  para el análisis de metales en lodos y en otros
  desechos complejos.

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Dispersión y difusión.

• La turbiedad de una muestra se puede medir por el
  efecto sobre la transmisión de la luz, que se
  denomina turbidimetría, o por el efecto en la
  difusión de la luz, que se denomina nefelometría.
  Estas propiedades se utilizan en los
  procedimientos de los 'Métodos estándar" para la
  medición de la turbiedad. Mientras que estos
  procedimientos se valen del ojo humano para
  detectar la luz emitida, los métodos que emplean
  fotómetros eléctricos comunes también se pueden
  usar, con la ventaja de que se pueden hacer y
  registrar mediciones continuas de turbiedad, sin
  que exista el factor de error humano al hacer las
  observaciones. La medición nefelométrica es más
  sensible para suspensiones muy diluidas, pero
  para la turbiedad moderadamente considerable se
  pueden hacer mediciones nefelométricas o
  turbidimétricas.

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• En la turbidimetría se mide la cantidad de luz
  que pasa a través de una solución. A mayor
  turbiedad es menor la cantidad de luz
  transrnitida. En la nefelometría, la celda que
  detecta la luz se coloca en ángulo recto a la
  fuente de luz para medir la luz dispersa por las
  partículas de turbiedad. Cualquier
  espectrofotórnetro o fotómetro es satisfactorio
  como turbidímetro, sin modificaciones. Sin
  embargo, para la nefelometría se requiere un
  aditamento especial.
• Aunque los análisis turbidimétricos se pueden
  llevar a cabo a cualquier longitud de onda de la
  luz, los procedimientos de los 'Métodos estándar'
  para la determinación de sulfatos por análisis
  turbidirnétrico recomiendan una longitud de onda
  de 420 nm. Esto produce un análisis más sensible,
  debido a que la luz azul de esta longitud de onda
  se dispersa más que la luz roja, que tiene
  longitudes de onda mayores.

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(No Transcript)
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Fluorimetría.

• Muchos compuestos orgánicos y algunos inorgánicos
  tienen la capacidad de absorber energía radiante
  de una longitud de onda determinada y luego
  emitir la energía como radiación a una longitud
  de onda mayor. Éste fenómeno se conoce como
  fluorescencia y determina las bases para un
  instrumento analítico muy sensible. La
  fluorescencia se puede medir con un instrumento
  simple llamado fluorómetro, que emplea filtros
  para seleccionar la longitud de onda.
• Uno de los principales usos de la fluorimetría en
  los estudios de la calidad del agua es el
  seguimiento del movimiento del agua y de la
  conteminación. Esto se lleva a cabo añadiendo al
  agua medios altamente fluorescentes y detectando
  su movimiento por mediciones fluoroscópicas.

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(No Transcript)
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Métodos eléctricos de análisis
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• Los métodos eléctricos de análisis tienen en
  cuenta las relaciones entre los fenómenos
  químicos y eléctricos. Son particularmente útiles
  en la química del agua, puesto que ofrecen
  monitoría y registros continuos. El medidor de pH
  es probablemente el método de análisis más usado.
  En este método, se insertan en la solución un
  electrodo de vidrio y otro de referencia, y el
  potencial o voltaje eléctrico que existe entre
  ellos es una medida de la concentración de iones
  hidrógeno en la solución. Los métodos que se
  basan en este principio son los potenciómetros.
• En otros métodos eléctricos, se introduce en la
  solución los electrodos adecuados y se aplica un
  pequeño voltaje determinado. La corriente que
  fluye depende de la composición de la solución y,
  en consecuencia, se puede utilizar para hacer
  mediciones analíticas. Los métodos que se basan
  en este principio son los polarográficos.

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Análisis potenciométrico.

• En este tipo de análisis se utilizan distintos
  tipos de electrodos, los más importantes son

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• -Electrodo de metal

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• -Electrodos de oxidación reducción.

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• -Electrodos de metal, en contacto con una sal
  ligeramente soluble.

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• -Electrodo de membrana (muy importante en la
  medición de la calidad del agua).

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• -Electrodo de vidrio.
• Este electrodo es de uso universal para la
  medición del pH. El electrodo funciona en
  soluciones altamente coloreadas en las que no
  funcionan los métodos colorimétricos, y en medios
  oxidantes, medios reductores, y sistemas
  coloidales en los que ha fallado casi
  completamente otros electrodos

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• -Electrodo de membrana líquida.
• -Electrodo de membrana cristalina.

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Análisis polarográfico.

• Los procedimientos analíticos para el estudio de
  una solución en los que se usa la relación entre
  voltaje aplicado a través de dos electrodos y el
  flujo de corriente resultante se llaman
  voltimetría. Entre ellos se encuentra
• -El análisis polarográfico.

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• -La voltametría de descarga anódica.
• El análisis polarográfico directo del agua o
  de soluciones de aguas residuales por lo general
  no es lo suficientemente sensible para medir
  concentraciones bajas de metales, que tienen
  importancia en la salud y el medio ambiente. sin
  embargo, la voltametría de descarga anódica es
  una modificación de la polarografía que
  proporciona la sensibilidad necesaria para
  ciertos metales como el plomo y el cadmio.

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• -Sensores de membrana.
• Se basan en el principio del método
  polarográfico y son útiles para las mediciones de
  moléculas gaseosas o no ionizadas.
• Hay instrumentos diseñados específicamente
  para determinar el oxígeno disuelto.Sin embargo,
  se ha demostrado la gran utilidad de los sensores
  de membrana permeables a gas, que permiten un
  análisis más específico del oxígeno disuelto no
  sólo para monitorear la calidad del agua, sino
  para controlar también la tasa de aireación en
  los procesos de tratamiento biológico.

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(No Transcript)
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Métodos de análisis cromatográfico
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• Cromatografía es el término general que se usa
  para describir el conjunto de procedimientos
  utilizados para separar los componentes de una
  mezcla, con base en la afinidad de cada uno para
  repartirse entre diferentes fases. Por ejemplo,
  el dióxido de carbono es más soluble en el agua
  que en el metano, de modo que si ambos gases
  estuvieran presentes en una muestra de aire que
  hace contacto con el agua, el dióxido de carbono
  se repartiría más facilmente hacia el agua que
  hacia el metano. Esta propiedad, que es diferente
  para las diferentes moléculas, se puede usar para
  inducir su separación. El primer artículo en el
  que se hizo una descripción moderna de la
  cromatografía fue presentado en 1906 por Michael
  Tswett, un biólogo que separó la clorofila y
  otros pigmentos de extractos de plantas mezclados
  en una solución de éter de petróleo, pasándolos a
  través de una columna de vidrio con partículas de
  carbonato de calcio. Los pigmentos se movían a lo
  largo de la columna a diferentes velocidades, de
  acuerdo con su afinidad relativa por el éter de
  petróleo en la fase móvil y por el carbonato de
  calcio en la fase inmóvil.

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• Esta separación se podía ver fácilmente por el
  color de los pigmentos y la intensidad del color
  determinaba la cantidad de cada pigmento.
• Del mismo modo que en la descripción de Tswett,
  en la cromatografía moderna generalmente la
  separación de una mezcla se lleva a cabo en dos
  fases diferentes una es la estacionaria y otra
  la móvil. La fase estacionaria puede ser un
  líquido o un sólido y la fase móvil puede ser un
  líquido o un gas. Cuando la fase móvil es un gas
  el procedimiento se llama cromatografía de gas, y
  cuando es líquido, se llama cromatografía
  líquida. Dependiendo de la naturaleza de la fase
  estacionaria se usan otros términos descriptivos
  por ejemplo, cuando la fase móvil es un gas y la
  inmóvil es un líquido, el procedimiento se llama
  cromatografía gas líquido. Cuando la fase móvil
  es un líquido y la inmóvil es papel, entonces se
  tiene la cromatografía de papel.

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• La cromatografía líquida ha avanzado
  considerablemente en los últimos años, llevando a
  la construcción de instrumentos a los que se da
  el nombre de cromatografía líquida de alta
  eficiencia (CLAE). Algunos instrumentos para la
  CLAE usan resinas iónicas como fase estacionaria
  y se llaman cromatógrafos iónicos.
• La separación cromatográfica es una de las dos
  principales características de los instrumentos
  cromatográficos la otra es detección y
  cuantificación de los compuestos. En la
  actualidad se dispone de numerosos detectores,
  cada uno con su sensibilidad particular para un
  grupo dado de compuestos en una mezcla.
• En la actualidad los instrumentos cromatográficos
  se usan ampliamente en la ingeniería ambiental,
  ya que permiten mediciones cuantitativas rápidas
  de los químicos presentes en mezclas complejas.
  El desarrollo de éstos instrumentos versátiles y
  sensibles ha sido uno de los factores más
  importantes que han hecho posible que la
  profesión de la ingeniería ambiental pueda
  controlar la multitud de amenazas quyímicas
  creadas por el continuo crecimiento de la
  industrialización de la sociedad.

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Otros métodos instrumentales de análisis
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• Existen muchos otros métodos de análisis
  instrumental disponibles que son de gran interés
  para los ingenieros ambientales por la creciente
  complejidad de los problemas a resolver, y por la
  mayor preocupación por los efectos de los
  contaminantes orgánicos e inorgánicos sobre la
  salud y el medio ambiente, aun estando a muy
  bajas concentraciones.

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Espectrometría de masas

• Puede facilitar la identificación de un gran
  número de compuestos orgánicos específicos
  presentes en el agua y en el agua residual.
• Ésta poderosa herramienta que cada vez se usa con
  mayor frecuencia está ayudando a resolver muchos
  problemas analíticos difíciles y ha servido
  bastante para mejorar nuestro conocimiento sobre
  la naturaleza y el destino final de los
  materiales orgánicos en el ambiente, y para el
  desarrollo de medidas técnicas de control

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Análisis con rayos X

• Los rayos X son radiaciones electromagnéticas de
  longitud de onda corta se usan con fines
  analíticos, del mismo modo que otras radiaciones
  de longitud de onda más larga, con la luz
  visible. La absorción de los rayos X sigue las
  mismas leyes de absorción que la s otras
  radiaciones, excepto que el fenómeno es a nivel
  atómico, en vez de molecular. La absorción de los
  rayos X es usada para la medición de la presencia
  de elementos pesados en sustancias compuestas
  principalmente de materiales de bajo peso
  atómico. Un ejemplo es la determinación de la
  cantidad de uranio en solución.

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Espectroscopía por resonancia nuclear magnética.

• Esta herramienta analítica se usa para detectar y
  diferenciar entre los núcleos de los átomos de
  una molécula. Se puede usar para realizar
  análisis químicos específicos o para determinar
  la estructura de especies orgánicas e
  inorgánicas. Es un método instrumental altamente
  especializado que cada vez tiene más aplicaciones.

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Medidas de radiactividad

• Los métodos instrumentales de análisis se usan
  para la medición de la radiactividad en el
  ambiente, o para estudios de investigación que
  utilizan trazadores radiactivos. Se dispone de
  varios instrumentos para medir tipos específicos
  de radiación, la frecuencia de las emisiones, o
  ambas.