determinación de hierro por absorción atómica

Informes de laboratorio de Analítica II

Practica Practi ca N° 6

30/11/2016

Departamento de Química - Universidad de córdoba

DETERMINACION DETERMINACION DE LA L A CONCENTRANCION DE HIERRO EN UNA MUESTRA LIQUIDA MEDIANTE LA TECNICA DE ESPECTRO ESPECTROSCOPIA SCOPIA DE ABSORCION AB SORCION  ATOMICA  ATOMIC A Gerson José Vélez peinado Mauricio Javier Bolaño Bautista Ba utista Hernderson Oviedo Vargas Vargas Facultad de Ciencias Básicas. Programa: Química. Docente: Edineldo Lans Ceballos

 Abstract

In the following report we will show how to determine the concentration of iron in a sample through the technique of atomic absorption spectroscopy. The present procedure can be applied for the calibration, of other metals also in the determined experimental conditions, of Atomic Absorption Spectrophotometers (with their corresponding instrumental instruments: hydride generators, automatic injectors), so much that they verify the atomization by the action of a flame through a chamber of graphite. This calibration, by a team that is composed of a complex instrumental instrumenta l system and because it is a spectrophotometric technique, is carried out by interpolation on the corresponding regression line. On the other hand, it must be taken into account that, in order to apply the corresponding calibration for the development of the analytical determination of an element, it must carry out an analogous treatment of the patterns and samples and, in addition, Chemical natures of their matrices.

INTRODUCCIÓN

una llama, donde es disociado de sus enlaces químicos y, por ganancia de electrones, se sitúa en un estado atómico base neutra no excitada ni ionizada. La sensibilidad de los métodos atómicos está dentro de los límites de partes por millón a partes por mil millones, partes por billón (ppb). Las ventajas adicionales de estos métodos son rapidez, conveniencia, selectividad inusualmente elevada y costos

Espectroscopia de Absorc ión Atómica:  Esta técnica está basada en el fenómeno de absorción de la luz de determinadas longitudes de onda por parte de átomos vaporizados en estado de reposo. Las bandas de absorción son muy estrechas, por lo cual el espectro total de absorción de un átomo se define defi ne como espectro de líneas. El elemento en estudio es situado en 1

moderados de los instrumentos. La determinación espectroscópica de especies atómicas sólo se puede llevar a cabo dentro de un medio gaseoso, en el cual los átomos individuales están separados unos de los otros. Consecuentemente, el primer paso en todos los procedimientos espectroscópicos es la atomización, un proceso en el cual la muestra es volatilizado y descompuesto para producir un gas atómico. La eficiencia y reproducibilidad del paso de atomización determina en gran parte la sensibilidad, precisión y exactitud del método, es decir, la atomización es, con mucho, el paso más importante en la espectroscopia atómica.

transductor y pasa a un amplificador y por último a un sistema de lectura.

Instrumentación : 









Técnica Técnica de espectroscopia de absorci ón atómic a (EAA). La técnica de absorción atómica en flama en una forma concisa consta de lo siguiente: la muestra en forma líquida es aspirada a través de un tubo capilar y conducida a un nebulizador donde ésta se desintegra y forma un rocío o pequeñas gotas de líquido. Las gotas formadas son conducidas a una flama, donde se produce una serie de eventos que originan la formación de átomos. Estos átomos absorben cualitativamente la radiación emitida por la lámpara y la cantidad de radiación absorbida está en función de su concentración.





La señal de la lámpara una vez que pasa por la flama llega a un monocromador, que tiene como finalidad el discriminar todas las señales que acompañan la línea de interés. Esta señal de radiación electromagnética electromagnéti ca llega a un detector o 2

Una fuente de radiación que emita una línea específica correspondiente a la necesaria para efectuar una transición en los átomos del elemento analizado. Un nebulizador, que, por aspiración de la muestra líquida, forme pequeñas gotas para una atomización más eficiente. Un Quemador, en el cual por efecto efecto de la temperatura alcanzada en la combustión y por la reacción de combustión misma, se favorezca la formación de átomos a partir de los componentes en solución. Un sistema óptico que separe la radiación de longitud de onda de interés, de todas las demás radiaciones que entran ha dicho sistema. Un detector o transductor, que sea capaz de transformar, en relación proporcional, las señales de intensidad de radiación electromagnética, en señales eléctricas o de intensidad de corriente. Un amplificador o sistema electrónico, que como su nombre lo indica amplifica la señal eléctrica producida, para que en el siguiente paso pueda ser procesada con circuitos y sistemas electrónicos comunes. Por último, se requiere de un sistema de lectura en el cual la señal de intensidad de corriente, sea convertida a una señal que el operario pueda interpretar (ejemplo: transmitancia o absorbancia). Este sistema de lectura, puede ser una escala de aguja, una escala de dígitos, un graficador, una serie de datos que pueden ser procesados a su vez por una computadora, etc.

Fuente de radiación:

 Atom  At omiz izad ador or es de l lama lam a:

La fuente es muy diferente a las utilizadas en espectroscopia molecular, las bandas son lo suficientemente anchas para permitir el uso de una fuente continua y un monocromador. La línea de absorción atómica en una llama ll ama u horno es más angosta que la banda. En los instrumentos de absorción atómica se utilizan dos tipos de lámpara: lámparas de cátodo hueco y lámparas de descarga sin electrodos. 

Lámparas de descarga sin electrodo: En los comercios es posible conseguir lámparas de descarga sin electrodo para diversos elementos. Sin embargo, su desempeño aparentemente no es tan confiable como el de la lámpara de cátodo hueco.



Lámparas de cátodo hueco: la fuente de radiación más útil para la espectroscopia de absorción atómica es la lámpara de cátodo hueco, que se muestra en la figura 3. Consiste en un ánodo de tungsteno y un cátodo cilíndrico sellado en un tubo de vidrio que contiene un gas inerte, por ejemplo, a argón, rgón, a presión de 1 a 5 torr. El cátodo es fabricado con el metal del analito o puede servir como soporte para un recubrimiento de ese metal.

Para conseguir que los átomos absorban radiación hay que obtener una población de estos al estado basal a partir de la solución de una muestra, cuya absorbancia esté relacionada en forma sencilla con la concentración del analito en la solución esto se puede lograr con una llama.

Propied ades de la llama . Cuando una muestra nebulizada se lleva al interior de una llama, el disolvente se evapora en la zona de combustión primaria de la llama, la cual está localizada  justamente  justamente arriba de la punta del quemador. quemador. Las partículas sólidas finamente divididas resultantes son llevadas a una región en el centro de la llama, denominada región interzonal. Aquí, en la parte más caliente de la llama, se forman los átomos gaseosos y los iones elementales a partir de las partículas sólidas. En esta región también se lleva a cabo la excitación del espectro atómico de emisión. Finalmente, los átomos y los iones son llevados al borde exterior, o a la zona de combustión secundaria, en donde la oxidación se puede presentar antes de que los productos de la atomización se dispersen en la atmósfera.

3

Monocromador:  Los de uso más frecuente en absorción atómica son los prismas y rendijas.

Instrumento de lectura:

Puede ser un galvanómetro sencillo, un voltímetro digital, un potenciómetro registrador, una computadora con salida digital del amplificador. Un instrumento de absorción atómica contiene los mismos componentes básicos que un instrumento diseñado para las mediciones de absorción molecular: una fuente, un contenedor de la muestra, un selector de longitud de onda y un detector/sistema para la lectura. Algunos fabricantes ofrecen instrumentos tanto de simple haz como de doble haz.

Quemador de flujo laminar o de pre mezcla: la muestra es nebulizada por el flujo de oxidante, una vez pasado el extremo del capilar. El aerosol resultante se mezcla con el combustible y pasa a través de una serie de deflectores, que eliminan las gotas que no sean muy finas. Debido a estos deflectores la mayor parte de la muestra se reúne en el fondo de la cámara de mezcla, de donde se envía a un recolector de deshechos. El aerosol, el oxidante y el combustible, se queman en la ranura de un quemador, que produce una llama que generalmente tiene 5 ó 10 cm de longitud. Los quemadores de flujo laminar producen una llama relativamente estable y un recorrido mayor, lo cual aumentan la sensibilidad.  Además, la obstrucción obstrucción rara vez constituye constituye un problema.

Instrumento de EAA utilizado en la experimentación:

Thermo S Series Series AA Spectrom eter Método del estándar externo o calibración sencilla: La calibración se consigue al obtener la señal de respuesta (absorbancia, altura del pico, área del pico) en función de la concentración conocida del analito. Una curva de calibración se prepara con una gráfica de los datos o ajustándoles una ecuación matemática aceptable, como la ecuación de la recta dada por la pendiente y la ordenada al origen que se

4

usa en el método de los mínimos cuadrados lineales.

En los casos en que los datos no se ajustan a un modelo lineal, entonces se puede recurrir a los métodos de regresión no lineal. Algunos de éstos utilizan modelos polinomiales o procedimientos de regresión múltiple.

El paso siguiente es la etapa de predicción, en la que se obtiene la señal de respuesta para la muestra y se usa para predecirla concentración desconocida del analito, Cx, a partir de la curva de calibración o de la ecuación de mejor ajuste. La concentración del analito en la muestra original se calcula luego mediante Cx aplicando los factores de dilución convenientes tomados de los pasos que se siguieron para preparar la muestra.

Para la construcción del modelo de regresión regre sión se utilizó el software Microsoft Office: Excel

2013.

El análisis de regresión proporciona los medios para obtener en forma objetiva dicha recta, y también para especificar la incertidumbre asociada con el uso posterior. Esta incertidumbre se relaciona con los residuos que se muestran en la figura anterior, los cuales son una medida de qué tan lejos de la l a recta de mejor ajuste quedan los datos. La relación matemática que representa esta suposición se llama modelo de regresión, y se podría representar con

Materiales 4 matraces aforados de 25 ml.

y = mx + b 1 matraz aforado de 250 ml. Donde b es la ordenada al origen o intersección con el eje y, es decir, el valor de y cuando x es cero, y m es la pendiente de la recta

1 matraz aforado de 50 mL 2 pipetas transfer de 1000 µl y 100 µl

Para determinar una concentración desconocida c x a partir de la recta de mínimos cuadrados, se obtiene el valor de la respuesta del instrumento y c  para la incógnita, y la pendiente y la ordenada al origen se usan para calcular la concentración desconocida c x como se muestra en la siguiente ecuación:

Solución patrón de 100 mg Fe/L

PROCEDIMIENTO Se preparó una solución de hierro a 100 ppm, de esta solución patrón se tomaron ciertas cantidadaes para preparar 4 estándares de hierro de 25 mL y obtener los estándares a 0.1, 1, 2 y 3 ppm respectivamente.

Cx = yxm b 5

Se preparó agua acidulada, es decir, una solución de HNO 3 al 0,15%

 Anál isis is is de Fe ID Muestra mg/L

Para preparar la digestión se tomó un Erlenmeyer en el cual se agregaron 5 mL de HNO3 concentrado y un mililitro de H 2O2 y se agitó, luego se realizó un calentamiento por un tiempo aproximado de dos horas a una temperatura aproximadamente de 95°C hasta que quedó una pequeña cantidad que se estima esti ma fue de 5 mL la cual se dejó enfriar. El producto de la digestión se transfirió a un matraz de 50 mL al cual se le completó su volumen con agua acidulada.

Blanco 1 Blanco 2 Estándar 1 Estándar 2 Estándar 3 Estándar 4 Muestra N°2

0,001 0,007 0,01 0,051 0,071 0,098 0,020

Después de realizar las correciones de absorbancia las cuales fueron realizadas a partir de la resta del blanco a todas las absorbancias de los estándares nos queda.

 ANÁLISIS  ANÁ LISIS Y RESUL TADOS Parámetros Parámetros del Anális is de Hierro Hierro (Fe) (Fe)

 Anál isis is is de Fe ID Muestra mg/L

Para la determinación de hierro por el método de llama por absorción atómica se adoptaron parámetros instrumentales, los cuales ayudan a eliminar posibles interferencias interferenci as para una normal normal medición del analito de interés. Estos parámetros son los siguientes:

Longi tud de Onda (λ): 

0 0 0,1 1 2 3 X

Abs

Blanco 1 Blanco 2 Estándar 1 Estándar 2 Estándar 3 Estándar 4 Muestra N°2

248.2

0 0 0,1 1 2 3 X

Abs 0,001 0,007 0,008 0,051 0,064 0,091 0,020

nm

 Anch  An cho o de B and a:   Tipo de Llama:

Hierro

0,2

De acuerdo a los datos de absorbancia medidos a una longitud de onda de λ= 24 8,2nm, se reportan en la tabla los datos de absorbancia corregidos, la curva de calibración se muestra en la figura 1.

 Aire/Acetileno  Aire/Acetileno

Curva de calibración de estándar de absorción atómica Una vez realizados los estándares requeridos de la manera que se indica en el procedimiento, procedimie nto, el equipo de absorción atómica S Series AA Spectrometer mostro los siguientes resultados después de hacer realizar las gráficas pertinentes. 6

Figura 1. Curva de calibración p ara análisis análisis de Hierro  Anál isis is is de Fe ID Muestra mg/L

CURVA DE CALIBRADO DE ESTANDARES DE HIERRO 0,1 0,09 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0

Blanco 1 Blanco 2 Estándar 1 Estándar 3 Estándar 4 Muestra N°2

y = 0,0269x + 0,0125 R² = 0,9453

0 0 0,1 2 3 X

Abs 0,001 0,007 0,008 0,064 0,091 0,013

CURVA DE CALIBRADO DE ESTANDARES DE HIERRO (CORREGIDA) 0

1

2

3

4

0,1 0,09

Esta es una curva de calibración representativa de múltiples ensayos realizados para determinar éste, como rango de trabajo único.

y = 0,0287x + 0,0055 R² = 0,9995

0,08 0,07 0,06 0,05 0,04

Con el fin de obtener siempre la linealidad de la curva de calibración se optimización parámetros del espectrofotómetro como son la altura del quemador y el flujo de gas para obtener una sensibilidad mayor en el método así:

0,03 0,02 0,01 0 0

1

2

3

4

Determinaci Determinaci ón de la concentraci co ncentraci ón de la muestra pro blema.

 Alt  Al t ur a del d el q uemad uem ado o r:

9,4 mm

Flujo de gas:

0,9 L/min

Ecuación 1. Conc Concentració entració n de Hierro Hierro

Para dar como aceptada una curva de calibración el ajuste lineal de la misma no debe ser inferir a 0,9950 con lo que se está garantizando una adecuada correlación entre patrones que componen la curva y asegurando como cuantificación correcta al momento de leer cualquier muestra.

 A partir de la ecuación ecuación de la grafica grafica se se tiene que y = 0,0287x + 0,0055 Donde Y es la absorbancia de la mustra, la cual es de 0,020. Despejando X tenemos que:

  = 0,0200,0055 0,0287   = 0,02613 /

De la Figura 1 se puede observar que existe un valor que no da un carácter lineal, el cual se pudo eliminar, ya que era un valor sospechoso y se pudo ignorar, de esto nos queda que:

7

Ecuación 5. Sensibilidad del método

 Anál  An álii si s Es tadís ta dís tic ti c o Error de estimación del método d e curva de calibrado:

Suma

x

y

x2

y2

xy

0,1 2 3 5,1

0,008 0,064 0,091 0,163

0,01 4 9 13,01

0,0001 0,005041 0,009604 0,012441

0,001 0,142 0,294 0,4018

S:  

Sensibilidad.

m:

Pendiente de la curva de calibración

0,0044:  es la mínima señal que produce un 1% de concentración del analito

S = ,, 0,1533 mg Fe/L Fe/L  = 0,1533

Entonces:

Este valor correspondería correspond ería al factor de respuesta del instrumento en función de la concentración.

Ecuación 2. Desviació Desviació n estándar d e Y y X en en el modelo de regresión: ,  :

 − ∑ Y− Y−∑∑ XY =0,001302 S,x = √ ∑ Y−∑ n−

Límite

de

Detección

Instrumental:

La definición cuantitativa más aceptada para el límite de detección es la mínima concentración o la mínima masa de analito que se puede detectar para un nivel de confianza dado. Este límite depende de la relación entre la magnitud de la señal analítica y el valor de las fluctuaciones estadísticas de la señal del blanco.

Ecuación 3. Desviación estándar de la pendiente pendi ente (m) (m) en el el modelo d e regresi regresión: ón:  :



S = S,x√ n ∑ X−n(∑X (∑ X) =0,0006252

Tabla 2. Datos Datos para el límite de detecció n

Ecuación 4. Desviación estándar del intercepto (b) en el modelo de regresión:  :



Blanco 1 2 Promedio D. Estándar

 S = S√ n ∑ X∑−X(∑X (∑ X) =0,04231 Sensibilidad:

La sensibilidad de la espectrometría de absorción atómica de llama se define como la concentración de metal que produce una absorción de 1% (una absorbancia absor bancia de aproximadamente 0,0044)

Abs del Blanco 0,001 0,007 0,004 0,00424264

Para determinar el límite de detección se emplean las siguientes formulas

Para determinar la sensibilidad se utiliza la siguiente ecuación:

S = Sl + kSl

 = , 

Ecuación 6. Mínima señal distinguible

C = S  Sprodio(l) m 8

Ecuación 7. Límite de detecció n

Conclusión

Donde:

 A través de los métodos métodos usados usados podemos podemos decir decir que se llegó al objetivo de cuantificar el Fe presente en la muestra de estudio. La técnica de EAA proporciono resultados exactos en la cuantificación de hierro obteniéndose un factor de correlación aceptable de 0,9995 se infiere que para poder validar el método analítico mediante EAA es necesario mejorar la forma en que se emplea el método, de manera que se debe minimizar al máximo los errores humanos, como posible error la preparación de soluciones, efectos de matriz (en caso de ser matrices complejas), lavado de recipientes, entre otros factores.

S : Mínima señal distinguible. Sl : Señal promedio del blanco K: Constante de nivel de confianza igual a 3

sl: Desviación estándar de las mediciones

del blanco

m: Pendiente de la curva Cm: Limite de detección Entonces:

S =0,004+3(0,00424264) =0,0167279 UA C = 0,01672790,004 0,4434 mg mg Fe/L Fe/L 0,0287 = 0,4434

. Bibliografía Bibliog rafía 

Para el límite de detección instrumental se obtuvo una concentración de 0,4434 mg Fe/L , lo que corresponde a la cantidad de analito que da una respuesta significativamente diferente al blanco o al ruido de una solución que no contiene el analito.



Se tabulan todos los parámetros estadísticos obtenidos para simplificar el análisis: PARAMETRO Desviación estándar de Y y X Desviación estándar de la pendiente Desviación estándar del intercepto Sensibilidad Límite de Detección Instrumental (L.D.I)

00,001302 0,0006252 0,04231 0,1533 mg Fe /L 0,4434 mg/L

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Principios Principio s de análisis instrumental. Skoog Holler 6°Ed  –Espectroscopia de Absorción  Atómica Pag 260-268 Validación de la metodología por el método estándar 3111ª  – Absorción Atómica para el análisis de metales pesados en muestras de aguas y aguas residuales  – Escuela tecnológica de química http://repositorio.utp.edu.co/dspace/bitstrea m/11059/3141/1/5430858G633.pdf