Historia de la Química Analítica

Historia de la QA: comenzó desde tiempos antiguos a.C., cuando los filósofos empezaron a hacer suposiciones y algunos experimentos para dar explicación a lo que ocurría a su alrededor. En el siglo XVIII se estudiaban cada vez más productos químicos y los científicos observaron que ciertas sustancias se combinaban más fácilmente y tenían gran afinidad por un determinado producto químico que otras. Se prepararon tablas que mostraban las afinidades relativas al mezclar diferentes productos, lo que hizo posible predecir muchas reacciones químicas antes de experimentos en el laboratorio. Todos esos avances condujeron al descubrimiento de nuevos elementos, compuestos y reacciones. Se comenzaron a desarrollar métodos cualitativos y cuantitativos, dando origen a la QA. Algunos científicos involucrados fueron: Lavoisier (1743-1794), Ostwald (1853-1932), Heyrovsky (1890-1967) y Kholtoff (1884-1993).

Química Analítica

Química analítica: se puede definir como la ciencia que tiene como finalidad fundamental identificar o conocer la materia (análisis cualitativo), así como determinar o saber cuánto hay de cada una de las sustancias en la porción de materia que se estudia (análisis cuantitativo) y conocer su estructura, con la ayuda de reacciones químicas, métodos e instrumentos. También se define como la parte de la química que estudia la estructura y composición química de una material o muestra, mediante diferentes métodos. Es una ciencia de tipo práctica que requiere del uso de técnicas de laboratorio. Es una herramienta esencial con aplicación en todos los campos de la ciencia, por lo que se considera una ciencia central. Disciplinas como bioanálisis, medicina, geología, ciencias naturales, biología molecular, farmacología y toxicología.

Aplicaciones

Aplicación en la industria alimentaria, agrícola, farmacológica y ambiental: destaca el control de calidad de materias primas y productos terminados, para controlar los procesos químicos industriales, determinar la calidad de un suelo de cultivo, investigar el grado de toxicidad de una sustancia, seguir los pasos durante el desarrollo de un nuevo medicamento, controlar un proceso biotecnológico, cuantificar el grado de contaminación ambiental en agua, suelo y atmósfera, así como múltiples aplicaciones más. En laboratorios clínicos facilita el diagnóstico de enfermedades. En la investigación permite al investigador resolver problemas, mejorar y descubrir métodos.

Términos Básicos

Técnica analítica: es un proceso científico fundamental útil para proporcionar información acerca de la composición de las sustancias. La técnica analítica requiere del empleo de métodos y procedimientos. Ej.: la espectrometría de absorción atómica, la cromatografía líquida de alta resolución, la volumetría y la gravimetría.

Método analítico: es una aplicación específica de una técnica para resolver un problema analítico. Ej.: determinación de cloruros por el método de Mohr y Fajans; determinación de zinc en muestras de suero por espectrometría.

Procedimiento: representa un esbozo general de los pasos que se deben seguir en un método analítico.

Muestreo: es el procedimiento de obtención de una muestra o material.

Muestra: es una pequeña porción de todo el material que se muestrea y cuya composición debe ser representativa del total del material del cual se tomó.

Análisis de una muestra: es el estudio de la muestra para identificar sus componentes y determinar la concentración de analitos presentes.

Analito: son los elementos, iones, compuestos, moléculas, muestras o especies químicas que se identifican o determinan en una muestra.

Sensibilidad: la sensibilidad de un método o instrumento mide la capacidad para discriminar entre pequeñas diferencias en la concentración del analito.

Selectividad: es la tendencia de un reactivo o un método instrumental a responder igual solo ante unas especies.

Masa: es la medida variable de la cantidad de materia en un objeto.

Técnicas Analíticas Cualitativas

Vía seca

Consiste en calentar la muestra a 550-600 ºC en un recipiente adecuado (crisol), donde el oxígeno atmosférico actúa como agente oxidante. Presenta el inconveniente de provocar pérdidas parciales o totales de elementos volátiles.

Vía húmeda

Marcha analítica de iones (aniones y cationes). Se entiende por marcha analítica un conjunto de reglas prácticas, que se fundamentan en el conocimiento de las propiedades de los iones, de las leyes por las que se rigen las reacciones y de las circunstancias en que se verifican. La marcha analítica tiene por objeto separar de manera sistemática los diversos iones contenidos en una muestra problema para proceder a su definitivo reconocimiento. La identificación de los iones en forma aislada es una tarea fácil, no es así cuando se encuentran en conjunto en una solución problema; sin embargo, si se utilizan métodos de reconocimiento y reactivos generales en un orden definido, se pueden separar los iones en grupos y subgrupos, hasta conseguir el aislamiento individual de cada uno de ellos, para su posterior identificación. Algunos de los cationes que se pueden identificar son: Ag, Pb, Hg, Ba, Mg, Na, NH4. Aniones: CO3, F, C2O4, PO3.

Técnicas Analíticas Cuantitativas

I. Según el tipo de medida

Técnicas clásicas: se usan para separar y determinar el analito, basándose en sus propiedades químicas. Emplean procedimientos simples y precisos. No requieren preparación especial de la muestra. Los equipos no son costosos. Son poco específicas. Algunas consumen mucho tiempo y necesitan mayor cantidad de muestra. Dentro de estas técnicas se incluyen la gravimetría y la volumetría.

  • Gravimetría: la cantidad del analito se determina mediante la masa del analito o de algún compuesto que lo contiene o se relaciona químicamente con él. Pueden ser de precipitación, volatilización o electrodeposición.
  • Volumetría: es una técnica de análisis cuantitativo que permite conocer la concentración de una sustancia en una muestra a través de la medición exacta de un volumen determinado de patrón. Se clasifican en función del tipo de reacción que se lleva a cabo: neutralización, precipitación, óxido-reducción y complejometría.

Técnicas instrumentales: son técnicas modernas para separar y determinar especies químicas. La determinación analítica es rápida. Requieren poca cantidad de muestra. Tienen alta sensibilidad. Pueden manejar muestras complejas. En su mayoría son selectivas. Los instrumentos necesitan calibración inicial y constante. El costo y mantenimiento de los instrumentos es elevado. Algunos requieren preparación especializada o entrenamiento. Pueden ser electroanalíticas y espectroscópicas.

  • Electroanalíticas: miden propiedades eléctricas como voltaje, corriente, resistencia y cantidad de carga eléctrica. Entre las técnicas electroanalíticas se encuentran: la potenciometría, la coulombimetría, la electrogravimetría y la voltametría.
  • Espectroscópicas: se basan en las propiedades químico-físicas, en la medición de la interacción entre un tipo de radiación electromagnética y los átomos o moléculas del analito. Pueden ser de: fluorescencia molecular, de absorción molecular en la región ultravioleta-visible e infrarroja.

II. Según el tamaño de muestra

  • Macroanálisis: si la masa de la muestra es mayor a 0,1 g.
  • Semimicroanálisis: si la muestra posee una masa entre 0,1 y 0,01 g.
  • Microanálisis: si la masa de la muestra está entre 0,01 y 0,001 g.
  • Ultramicroanálisis: si la muestra posee una masa menor de 0,001 g.

III. Según las técnicas de separación

Estas técnicas tienen como finalidad separar compuestos para eliminar interferencias y facilitar la medición.

Etapas del Análisis Químico

1. Elección del método de análisis

Se debe decidir qué método es apropiado para determinar el analito de interés. A veces resulta difícil porque, además de experiencia, se necesita intuición. La elección del método usualmente representa un compromiso entre la exactitud, precisión, selectividad, disponibilidad de tiempo y dinero para hacer el análisis. Otro aspecto que se debe considerar dentro del factor económico es el número de muestras que se van a analizar. Si se tienen que procesar muchas muestras, se empleará buena parte del tiempo en efectuar operaciones preliminares como preparar muestras, soluciones patrón y calibrar instrumentos. Se debe tomar en cuenta la complejidad de las muestras y la cantidad de sus componentes.

2. Muestreo

Es el proceso de obtención de la muestra. Se puede realizar de forma continua, intermitente o al azar. Es la etapa más difícil del análisis y de la cual depende la calidad del resultado final, por lo que debe ser confiable.

Muestra: es una pequeña porción de todo el material que se muestrea. Para que un análisis arroje información importante, se debe realizar en una muestra que tenga una composición representativa del material donde se tomó. Las muestras pueden ser sólidas, líquidas o gaseosas. Además, pueden ser homogéneas (uniformes, sin suspensión de partículas) o heterogéneas (sus componentes se pueden distinguir a simple vista o bajo un microscopio).

Recolección o toma de muestra: se puede hacer manual o mecánicamente mediante diversos instrumentos, que dan mejores resultados que el muestreo manual. Las muestras se recogen en recipientes limpios y secos, generalmente de plástico. Si la muestra es sangre, se debe colocar en tubos con o sin coagulantes, según se desee plasma o suero. Para muestras de orina se utilizan recipientes de boca ancha.

En la recolección de muestras líquidas pueden presentarse algunos problemas: si los recipientes que contienen las muestras se exponen al aire, el solvente puede evaporarse y, en consecuencia, cambiar la concentración de la especie química. Cuando se determinan gases disueltos en líquidos (gases en sangre), el recipiente donde se coloca la muestra debe ser colocado dentro de otro recipiente tapado, incluso durante el procedimiento analítico, para evitar que se contaminen con los gases atmosféricos.

Para recolectar líquidos con materia sólida suspendida, agua de río o de un tanque, se debe agitar antes de sacar la muestra e introducir el recipiente completamente en el depósito y llenarlo en las ¾ partes. Si se muestrea agua de un grifo, hay que dejar correr el agua antes de llenar el recipiente. Durante la recolección, es importante identificar la muestra con toda la información necesaria. Cuando la muestra es biológica (sangre u orina) se deben especificar claramente los nombres y apellidos de la persona, edad, sexo, fecha y el tipo de análisis a realizar. Si es de un sitio, se debe colocar el nombre del lugar, hora y fecha de recolección.

Tratamiento de las muestras: se realiza previo al análisis. Algunas muestras no requieren tratamiento, sino que se analizan directamente. Si la muestra es un sólido, se tritura y se pulveriza con un mortero o molino para reducir el tamaño de las partículas, se mezcla para asegurar que sea homogénea y se almacena por algún tiempo antes de iniciar el análisis. Durante este proceso puede haber absorción o desorción de agua debido a la humedad del ambiente, ya que la pérdida o ganancia de agua cambia la composición química de los sólidos. Se recomienda analizar las muestras al comienzo del proceso o determinar el contenido de humedad durante el mismo, con otro método analítico.

Disolución de las muestras: la mayoría de los análisis se realizan en soluciones de la muestra, preparadas con solventes apropiados. El solvente debe disolver todos los componentes de la muestra y no solo el analito que se va a determinar, no debe alterar la muestra ni producir interferencias con los pasos subsiguientes del análisis; si las producen, deben ser de fácil eliminación. Las condiciones de disolución deben ser suficientemente suaves: con materia orgánica se emplean solventes orgánicos como el tetracloruro de carbono; si la muestra es de naturaleza inorgánica, se emplean solventes inorgánicos como el ácido nítrico. Estas operaciones de disolución se aceleran mediante el incremento de la temperatura y la presión, utilizando procedimientos basados en frascos abiertos calentados y digestores cerrados herméticamente en hornos de microondas.

Conservación de la muestra: es indispensable para mantener sus propiedades físico-químicas, disminuir los riesgos de contaminación y evitar pérdidas por volatilización. Las muestras se pueden preservar en desecadores, en frascos herméticamente cerrados o en frascos ámbar.

3. Eliminación de interferencias

Después de haber logrado la disolución de la muestra y transformado el analito en una forma adecuada para la etapa de medición, antes de realizar la determinación analítica es indispensable eliminar las interferencias. Las interferencias son las sustancias o especies de la muestra que dificultan o afectan la señal del analito, debido a que aumentan o disminuyen la cantidad que se mide, afectando la medición final. Existen algunos métodos generales para tratar las interferencias, tales como el enmascaramiento, la precipitación química o electrolítica y la destilación.

4. Medición y cálculo de resultados

En esta etapa se realiza la medición en el instrumento, donde se lleva a cabo la determinación analítica. El análisis químico debe llevarse a cabo en muestras repetidas (triplicado, pentaplicado). La obtención de datos puede ser manual, semiautomática o automática. El instrumento proporciona una serie de lecturas, que son los datos experimentales que permitirán determinar la concentración del analito presente en la muestra.

5. Evaluación de los resultados y estimado de su confiabilidad

Cuando se tienen datos experimentales, es necesario determinar la exactitud, la precisión y aplicar pruebas estadísticas; de lo contrario, los datos obtenidos no tendrían valor y serían inútiles. La interpretación de los datos debe conducir a una o más conclusiones para la resolución de un problema o para realizar innovaciones.

Errores que Influyen en el Análisis Químico

Error aleatorio o indeterminado

Es aquel que afecta la precisión de una medición y ocasiona que los datos se distribuyan más o menos con simetría alrededor de un valor promedio. Todas las mediciones tienen errores aleatorios, los cuales se manifiestan cuando se efectúa una medición y se deben a numerosas variables no controladas, que son parte inevitable de toda medición físico-química. Muchos factores contribuyen al error aleatorio, pero ninguno se puede identificar o medir, ya que individualmente son tan pequeños que no se pueden detectar.

Error sistemático o determinado

Es aquel que influye en la exactitud de los resultados y ocasiona que la medida de una serie de datos sea distinta al valor aceptado. Existen tres tipos:

  • Errores instrumentales: se deben al instrumento de medida. Pueden presentarse en instrumentos electrónicos.
  • Errores del método: surgen del comportamiento químico o físico no ideal de los reactivos y de las reacciones empleadas en un análisis. Este comportamiento puede deberse a la presencia de especies interferentes, a la baja especificidad de gran parte de los reactivos y a reacciones que interfieren con el proceso de medición.
  • Errores personales: se deben al mal manejo del analista.