Técnicas Avanzadas en Química Analítica: Potenciometría, Espectrometría y Cromatografía

Potenciometría: Fundamentos y Aplicaciones

Tipos de Electrodos

• Electrodo de Referencia Ideal: Se caracteriza por tener un potencial exactamente conocido y constante, insensible a la composición del analito. Además, debe ser de fácil preparación, mantenimiento reproducible y relativamente económico.
• Electrodo de Vidrio: Compuesto típicamente por 22% de Na₂O, 6% de CaO y 72% de SiO₂.
• Electrodo de Sonda de Gases: Celda constituida por una disolución electrolítica específica, un electrodo selectivo de iones adecuado y otro de referencia. La membrana porosa aísla la disolución del gas al que es permeable. La disolución problema contiene gases solubles en agua que se quieren determinar (NO₂, CO₂, H₂S, SO₂).
• Electrodos Enzimáticos: Tipo de biosensores donde se combina la selectividad de una reacción bioquímica con la selectividad inherente a un electrodo selectivo de iones. Las medidas están libres de interferencias y muy relacionadas con el analito (muy específicas). Se utilizan, por ejemplo, para la determinación de nitrógeno en urea.

Aplicaciones de los Electrodos Enzimáticos

Permiten la determinación de gases o moléculas complejas, a diferencia de los electrodos tradicionales que solo se usaban para iones. Son muy selectivos y las condiciones enzimáticas son fáciles de controlar (pH y temperatura suaves). Permiten determinar de forma potenciométrica moléculas complejas. La desventaja es que son muy caros.

Procedimiento de Trabajo en Potenciometría

1. Preparación de patrones de calibrado: Concentración de analito conocida, fuerza iónica constante y, en su caso, reactivos para enmascarar interferencias y ajustar el pH.
2. Preparación de la muestra: Dilución adecuada y ajuste de la fuerza iónica.
3. Medida de señales: Potenciales de celda.
4. Obtención del calibrado: Interpolar la señal de la muestra y obtener la concentración.

Conceptos Clave en Voltamperometría

• Corriente Residual: Pequeña corriente que está presente en la celda, aun en ausencia de los iones de estudio.
• Corriente Límite: Corriente que, después de aumentar bruscamente, se vuelve prácticamente independiente del potencial aplicado.
• Corriente de Difusión: Diferencia entre la corriente límite y la residual. Es directamente proporcional a la concentración del analito.

Espectrometría: Principios y Aplicaciones

Requisitos para Métodos No Absolutos

• Reacción de derivatización cuantitativa y estequiometría conocida.
• Rápido y sencillo.
• Absorbancia de los reactivos mínima a la longitud de onda de medida.

Diagrama de Jablonski

Ilustra los estados electrónicos de una molécula y las transiciones que pueden producirse entre esos estados. Las transiciones no radiactivas se indican con flechas ondulantes y las radiactivas con flechas rectas.

• Transiciones Radiactivas: Involucran la absorción de un fotón, si la transición se produce hacia un nivel mayor, o la emisión, en caso contrario.
• Transiciones No Radiactivas: Se producen por varios mecanismos diferentes. Las relajaciones desde los estados excitados a su estado vibracional más bajo se encuentran marcadas como relajación vibracional en el diagrama.
• Conversión Interna (K): Transición no radiactiva que ocurre cuando un estado vibracional de un estado excitado se puede acoplar a un estado vibracional alto de un nivel electrónico más bajo.
• Cruce Intersistema: Transición hacia un estado con multiplicidad de espines diferentes entre moléculas que poseen un gran acoplamiento entre espines de orbitales diferentes.

Tipos de Interferencias en Espectrometría

• Interferencias Espectrales: Solapamiento de líneas (cambiar la longitud de onda de medida) y formación de productos absorbentes (determinación de Ba en presencia de Ca -> CaOH) o sales refractarias (formación de óxidos refractarios de Ti, W, Zr). Se corrigen con un corrector de fondo.
• Interferencias Químicas: Presencia en la llama de compuestos que disminuyan la población de átomos libres, como la formación de óxidos, hidruros, carburos o nitruros (se corrige aumentando la temperatura de la llama). También puede haber presencia de aniones que forman compuestos estables con el analito (se corrige añadiendo cationes que reaccionen con el interferente). La ionización del analito disminuye la población de átomos libres, y en su caso, se puede adicionar un tampón de ionización (especie que al ionizarse proporcione una concentración de electrones elevada, reprimiendo de esta forma la ionización del analito).

Ventajas de la Atomización Electroquímica

• Elevada sensibilidad (ppb).
• Obtención de señales simples, ya que la matriz es eliminada por el propio atomizador.
• Adecuada para muestras de elevada viscosidad y sólidos.
• Precisión menor al 1%.
• Tiempos de análisis superiores (2-3 min por muestra).
• Coste superior, ya que el tubo es caro y de vida limitada.

Factores que Afectan la Anchura de Banda en Cromatografía

• Multiplicidad de caminos.
• Difusión longitudinal.
• Resistencia a la transferencia de masa: El equilibrio del soluto entre la fase móvil y la fase estacionaria no es suficientemente rápido. El equilibrio se establece tan lentamente que siempre se opera en condiciones lejos del equilibrio.

Cromatografía de Gases

Columnas Capilares

Las columnas capilares son más rápidas, sensibles y de mayor resolución que las convencionales. Tienen mayor longitud (10-100 m) y menor diámetro interno (0.2-1 mm). Si la pared interna está recubierta de una finísima capa de fase estacionaria, se denominan WCOT; si el soporte está recubierto, se denominan SCOT.

Detectores en Cromatografía de Gases

• Detector de Ionización de Llama (FID): Se obtiene una gráfica de concentración frente a temperatura. Se forma mezclando aire y nitrógeno. En el electrodo colector hay una diferencia de potencial y cuando migran los iones, producen una corriente eléctrica (señal). A mayor concentración de solutos, más iones y más corriente. Si llega la fase móvil sin solutos, la corriente es cero. Es adecuado para hidrocarburos, ya que responde al número de carbonos.
• Detector de Captura Electrónica: Sirve para identificar y determinar átomos que contienen especies electronegativas capaces de aceptar electrones. Es más selectivo. Los electrones se forman en la interacción y migran hacia el electrodo positivo, produciendo una corriente eléctrica. El anillo radiactivo está formado por unas placas que emiten partículas radiactivas. El gas efluente se introduce entre las dos placas y queda expuesto a estas, formando electrones libres (los que no interaccionan). Si hay solutos con capacidad para retener electrones, migrarán menos y habrá menos corriente eléctrica. Los electrones chocan con el gas eferente, produciendo una cascada de electrones. Se establece una diferencia de potenciales entre la entrada y la salida del gas. El electrodo base es negativo y el electrodo colector es positivo. Cuando no sale ningún soluto, tendremos una corriente elevada.

Requisitos de la Fase Estacionaria Sólida en Cromatografía de Gases

Si la fase estacionaria es sólida (mecanismo de retención por absorción), se requieren las siguientes características: superficie grande, partículas pequeñas y uniformes, material relativamente duro, estable termodinámicamente y poroso. Hay dos tipos:

• Fase inorgánica: Permite trabajar a temperaturas elevadas (sílice, carbón grafito, alúmina, tamices moleculares, tamiz de carbono).
• Fase orgánica: Suelen ser poliméricas (estireno, óxido de fenilona y polifluorocarburos).

Metodología Experimental en Cromatografía de Gases

1. Selección del tipo de columna, gas portador y detector (dependen de la polaridad).
2. Optimización del caudal del gas portador (separación en el menor tiempo posible), volumen de inyección (0.5 con jeringa), temperatura del inyector, detector (garantizan la vaporización del soluto) y temperatura o programa de temperatura del horno (influye sobre la separación; si la temperatura es constante, sale antes el más volátil en una serie homóloga de composición).

Espectrómetro de Masas

Permite identificar (cualitativo) los solutos que emergen de la columna de forma más segura que con equipos provistos de detectores habituales.

1. Sistema de entrada de muestra: El objetivo es introducir en la fuente de ionización una pequeña cantidad de muestra en estado gaseoso. El sistema se encarga de la vaporización. Está en vacío y a temperatura ambiente.
2. Fuente de ionización: Formación de iones de la sustancia introducida (bombardeo electrónico).
3. Separación de masas: Comparable a un monocromador.
4. Sistema de lectura: La señal más grande corresponde al ion molecular. Se le asigna el valor 100 y sirve para facilitar la lectura.

Abundancia Relativa: Manera de medir la relación m/z para los distintos tipos de iones.

Procedimientos Analíticos en Espectrometría de Emisión Atómica de Llama y Absorción Atómica

Espectrometría de Emisión Atómica de Llama

1. Preparación de la muestra: Puesta en disolución y adición de tampón de ionización, en su caso.
2. Preparación de la recta de respuesta: Disolución patrón de concentración variable, intervalo de concentración adecuado, medio químico similar a la muestra y tampón, en su caso.
3. Fijar las condiciones instrumentales: Longitud de onda, intensidad de la fuente, amplitud de rendija, naturaleza de los gases, caudal, altura del mechero y corrector de fondo si hay interferencias espectrales.
4. Obtención de señales de patrones y muestras: Construir el calibrado.

Espectrometría de Absorción Atómica con Atomización Electroquímica

1. Selección de las condiciones experimentales: Condiciones ópticas, programa de temperatura y condiciones de medida.
2. Introducir la muestra en el tubo de grafito.
3. Aplicación del programa de temperatura: Secado, mineralización, atomización y limpieza.
4. Medida de las absorbancias para patrones y muestras.
5. Calibración y obtención de resultados.

Detectores en Cromatografía de Líquidos

• Basados en la propiedad del soluto: Medida de cambios en las propiedades físicas del soluto. Ejemplos: absorción UV-Vis (tiene una cubeta de flujo para que la muestra líquida pase y se desplace), fluorescencia, electroquímicos, radioquímicos, espectrometría de masas (proporciona a cada tiempo el espectro de masas de lo que está llegando, de manera que cuando una relación m/z es determinada en cada compuesto, si el siguiente compuesto no tiene la misma relación, la cromatografía habrá terminado). El detector de iones totales sí que permite cuantificar todos.
• Basados en propiedades generales de la disolución: Medida de cambios en las propiedades físicas del disolvente con y sin soluto (índice de refracción y conductividad).

Metodología Experimental en Cromatografía de Líquidos

Selección de la modalidad cromatográfica, de columna y fase estacionaria, selección de las variables instrumentales del detector, optimizar el caudal (aumenta la velocidad, aumenta el caudal y el peligro de solapamiento), composición de la fase móvil, modalidad de elución.

• Elución Isocrática: Ejemplo con 8 hidrocarburos aromáticos con fase móvil apolar. Si disminuye esta, se hace más polar, ya que aumenta el agua, siendo la fase móvil más polar. Por lo tanto, con fase estacionaria apolar y fase móvil apolar, los solutos salen muy rápido, causando que 4 de los 8 salgan juntos y no se separen. Si disminuye el acetonitrilo, los solutos se van a ir separando, ya que a una fase móvil más polar le cuesta más sacar el compuesto. La fase móvil es fija.
• Elución en Gradiente: Como no se han separado los tres primeros, se necesita que la fase móvil sea muy polar. También se le aplica un gradiente de concentraciones.