Determinación de La Concentración de Azul de Metileno en Solución Problema Utilizando El Método de Espectrofotometría

 

ACTA BIOLÓGICA COLOMBIANA   http://www.revistas.unal.edu.co/index.php/actabiol

ARTÍCULO DE REFLEXIÓN / REFLECTION PAPER

DETERMINACIÓN DE LA CONCENTRACIÓN DE AZUL DE METILENO EN SOLUCIÓN PROBLEMA UTILIZANDO EL MÉTODO DE ESPECTROFOTOMETRÍA Determination of the concentration of methylene blue in unknown solution using the spectrophotometry method Juan Pablo Gómez Gómez1, Michelle Negrette Bohórquez2. 1 Estudiante de Pregrado de Biología, Universidad Nacional de Colombia.  2 Estudiante de Pregrado de Biología, Universidad Nacional de Colombia.    [email protected], [email protected] [email protected]..  For corresponden correspondence:  ce:  [email protected],  

 

RESUMEN En uno de los laboratorios de la Universidad Nacional se realizó la determinación de la concentración de soluto (azul de metileno) en una solución problema dada utilizando el método de la espectrofotometría. En el presente artículo se explica el proceso realizado, en el cual primeramente se generó la curva espectral, donde se midió la absorbancia para cada longitud de onda de una solución stock que tenía 50 ppm como concentración y se concluyó que la mayor absorbancia se daba en 650,30 nm; posteriormente, a través de un sensor colorimétrico y una interfase Lab-Quest, se analizaron los valores obtenidos de absorbancia para diferentes diluciones que tenían concentraciones conocidas, y, con los cuales, se construyó una curva de calibración que permitió interpolar los datos recolectados con la absorbancia medida de la solución problema. Teniendo en cuenta la ley de Beer-Lambert y los fundamentos de la espectrofotometría, se obtuvo la línea de tendencia de los datos y con ella la ecuación de la pendiente, con la cual fueron realizados los cálculos necesarios para obtener finalmente como concentración 11,81 ppm del azul de metileno en la antes mencionada solución, resultado que se comparará ulteriormente al valor real calculado. Palabras claves: absorbancia, curva de calibración, espectrofotómetro, longitud de onda, partes por millón.

ABSTRACT In one of the Universidad Nacional de Colombia’s laboratories, the determination of the concentration for the solute (methyle ne

blue) in an unknown solution was done using the spectrophotometry method. In the preset article, the process executed is explained, in which firstly, a spectral curve was generated, where the absorbance was measured for each wavelength of a stock solution that had 50 ppm as concentration, it was concluded that the higher absorbance was at 650.30 nm; afterwards, using a colorimetric sensor and a Lab-Quest interface, the values obtained for absorbance of different dilutions that had known concentrations, were analyzed and with them, a calibration curve was built, this allowed to interpolate the recollected data with the absorbance gauged of the unknown solution. Recognizing the Beer-Lambert law and the fundamentals of spectrophotometry, a tendency line of the data was attained and with this, the equation of the slope, with which the necessary calculations were made to finally achieve as a concentration 11.81 ppm of methylene blue in the solution, result that will be furtherly compared to the real value that was calculated. Keywords: absorbance, calibration curve, parts per million, spectrophotometry, wavelength. wavele ngth.

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Gómez, JP, Negrette, M.

INTRODUCCIÓN La espectrofotometría es un método de análisis óptico que hace referencia a la interacción de la luz con la materia y de esta con el espectro electromagnético (Vargas y Loaiza, 2014). Es decir, mide la cantidad de energía radiante que absorbe una sustancia en función de una determinada longitud de onda (Brunatti y Martín, s.f.), con lo cual se puede obtener la concentración de compuestos en una solución. Profundizando en lo anterior, el sistema se estimula con una fuente de radiación, esta señal interactúa con la muestra, y, gracias a sus propiedades fisicoquímicas, modifica o reacciona mostrando una respuesta cuantificable de la que se extrae información analítica (Vargas y Loaiza, 2014). Es así como se integran conceptos de transmitancia, absorbancia, curvas de calibración y la ley de Beer-Lambert, entre otros, los cuales son fundamentales para entender la espectrofotometría. La transmitancia será la radiación incidente que atraviesa la solución y se define con la ecuación 1 donde I es la intensidad transmitida y I o, la intensidad incidente. También se puede expresar como porcentaje con la ecuación 2. (1) (2) La absorbancia será la cantidad de radiación que la muestra negativo retiene y de es adimensional, se ydescribe como el logaritmo la transmitancia se expresa con la ecuación 3. (3)

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La ley de Beer-Lambert plantea una relación directamente proporcional entre la absorbancia y la concentración de soluto en la muestra, su ecuación (4) define a la absorbancia con el coeficiente de absorción molar (fijo para cada sustancia), el ancho de celda b  (1  (1 cm en este experimento), y la concentración c. Sin embargo, se debe aclarar que esta ley presenta ciertas limitaciones sobre las cuales se discutirá más adelante en el presente artículo. (4)

Por último, la curva de calibración es la gráfica que indica la relación entre los dos anteriores, su función es comprobar que los resultados se ajustan a la mencionada ley (Vargas y Loaiza, 2014), es recomendable generarla basándose en la curva espectral o gráfica de espectro electromagnético, que dirá en qué longitud de onda cierta solución posee una mayor absorbancia. Volviendo la mirada hacia los aspectos conceptuales de este procedimiento, el instrumento utilizado para esta técnica es el espectrofotómetro, un aparato óptico atraviesa a la muestra con luz monocromática, la cual es detectada y cuantificada por un sensor. Utilizar este mecanismo brinda ventajas como la velocidad y sensibilidad para obtener las medidas e incluso se destaca la simpleza al realizar el procedimiento. Este método posee una amplia variedad de aplicaciones en diferentes campos que van desde las ciencias naturales y exactas (como la física, la química, la biología, la medicina y las ingenierías) hasta la industria alimenticia y el monitoreo ambiental (Vargas y Loaiza 2014). En este artículo, se aplicarán todos los conceptos definidos en esta sección para encontrar - por medio de análisis, instrumentos, mediciones, recolección de datos, gráficas y cálculos - la concentración de azul de metileno diluida en la solución problema.

 

Determinación de la concentración de azul de metileno

En el laboratorio 151 del edificio de química se hicieron análisis a unas muestras cuantificadas del compuesto azul de metileno (C16H18ClN3) (CTR, 2012). Para realizar

Para realizar tal procedimiento, primero se tuvo que calibrar de nuevo el espectrofotómetro con el blanco de reactivos y luego cada celda se iba llenando con las distintas concentraciones de los tubos de ensayo y se medía su valor de absorbancia con la misma longitud de

dichos análisis primero se tuvo que depositar esta sustancia en un vaso de precipitado, el cual se colocó en los mesones laterales del laboratorio, de ahí se tomó un volumen de 25 ml con la ayuda de una bureta (+ 0,05 ml) y se fijó a un soporte que se colocó sobre la mesa de trabajo, después de ello y con la ayuda de un balón aforado (+ 0,06 ml) y nueve tubos de ensayo, el azul de metileno se fue repartiendo en cada tubo en concentraciones de: 50 ppm, 40 ppm, 30 ppm, 25 ppm, 20 ppm, 15 ppm, 10 ppm, 5 ppm y 1 ppm (ver anexo 1). Esto se realizó con el fin de poder crear una curva de calibración del azul de metileno con respecto al valor de su absorbancia la cual es descrita por la ley de Beer-

onda de 650,30 nm.concentración, A medida que la se absorbancia introducían las celdas de menor a mayor crecía, al ver tal fenómeno, se pudieron realizar ciertas predicciones como el crecimiento proporcional de absorbancia y concentración (Fig. 2), en donde, hasta cierto momento, se confirmaba la ley de Beer-Lambert. Después de haber realizado la curva de calibración y tener los datos necesarios se siguió con el proceso de hallar la concentración de la muestra problema, y para hacer esto se repitieron procesos anteriores como volver a calibrar el espectrofotómetro, introducir la solución problema en una celda e insertarla en este mismo aparato, y de esta manera el módulo procesador arrojó un resultado

Lambert.Para poder crear esta curva de calibración fue necesario el uso de un módulo característico, es decir, un espectrofotómet espectrofotómetro ro Vernier  (SVIS-PL)   (SVIS-PL) (+ 0,001), y de un módulo procesador, para el que se utilizó una interfase Vernier LabQuest 2 (LQ2-LE), con los cuales después de calibrar con un blanco de reactivo (celda llena de agua con absorbancia 0,0) (Anónimo), se generó la curva espectral del azul de metileno con una disolución de 50 ppm, la cual se colocó en una celda y se insertó en el espectrofotómetro de tal manera que se le hacía incidir radiación de longitudes de onda que iban desde los 380,5 nm hasta los 699,30 nm (ver figura 1). Esto se realizó para seleccionar un menor rango de longitud de onda y así optimizar tiempo y resolución al momento de medir la absorbancia. La mayor absorbancia se presentó en la longitud de onda de 650,30 nm (Fig. 1), la cual se tomó de base para empezar a llenar la tabla de los datos para la curva de calibración colorimétrica de las demás soluciones.

que correspondía un valor Con esto5:y los datos anteriores se puedeadespejar x de(y).la ecuación

MATERIALES Y MÉTODOS

Y = mx + b

(5)

Donde m es la pendiente, x la concentración y b el punto de corte con y, que, para este caso, sería 0. Luego de realizar este cálculo, se obtuvo la concentración de la muestra problema en ppm.

RESULTADOS Gracias a toda la información recopilada en la toma de datos, los resultados de esta experimentación el azul de metileno fueron abundantes y ayudaron acon entender mejor los aspectos de las disoluciones, como entender de qué manera se puede conocer la concentración de disoluciones problema como en el caso de la solución con una absorbancia de 1,298.

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Figura 2. Curva de calibración del azul de metileno para la longitud de onda 650,30 nm. Figura 1. Curva espectral del azul de metileno entre 380,5 y 699,3 nm para la concentración de 50 ppm donde ♦  representa el punto máximo de absorción.

En la figura 1 se pueden apreciar los análisis de la muestra que poseía una concentración de 50 ppm cuando fue llevada al espectrofotómetro. A la muestra contenida en la celda se le incidieron radiaciones monocromáticas de longitud de onda desde los 380,50 nm hasta los 699,30 nm. Al inicio se puede apreciar como la curva crece a medida que la longitud de onda aumenta hasta los aproximadamente 650 nm, luego de este máximo la absorbancia decae rápidamente hasta los 699,30 nm donde el espectrómetro dejó de arrojar más información, con los anteriores datos se pudo determinar que el máximo de absorción era dado por  =650,30 =650,30 nm tal y como aparece en la gráfica. Ya conociendo este dato se pudo hacer el análisis para la curva de calibración de las distintas concentracione concentracioness del azul de metileno. 

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En la curva de calibración (Fig. 2) se puede apreciar la relación entre la absorbancia (eje Y) y la concentración (eje X) que fue construida a partir de la tabla que se encuentra en el anexo 1. La anterior gráfica muestra la absorbancia obtenida para todos los datos, desde concentración 0 (blanco de reactivos) hasta la solución más concentrada, que es 50 ppm. A partir de la ubicación de los puntos se establece una línea de tendencia que suministra adicionalmente la ecuación de la pendiente (5). Teniendo estos datos, se asume que al despejar x, como ya se ha mencionado antes, se obtiene la concentración de la muestra problema. Sin embargo, relacionando los fundamentos de la ley de Beer-Lambert con la gráfica, se puede ver a simple viste que a partir de la concentración de 25 ppm, la línea de tendencia en los puntos deja de ser clara y esto se puede comprobar con el valor del coeficiente de determinación, que al ser 0,6036, indica que el ajuste de los datos al modelo no es completamente Si se utilizando intenta despejar la concentración de fiable. esta pendiente la ecuación (5), el resultado será 20,3 ppm, el cual es demasiado alto teniendo en cuenta que para la absorbancia de la muestra el valor debería estar entre 10 y 15 ppm.

 

Determinación de la concentración de azul de metileno

Figura 3. Curva de calibración del azul de metileno para la longitud de onda 650,30 nm, nm , con datos de concentraciones mayores a 20 ppm descartados.

Por lo anteriormente demostrado, se decide descartar los datos que no cumplen visiblemente con la ley para obtener un mejor ajuste de los datos y así una concentración de la muestra problema más precisa, este proceso genera la gráfica tres, en donde se refleja un cambio en la pendiente y en el coeficiente de determinación, el cual ahora es 0,9872, significativamente más cercano a 1 que el primer valor, esto lo hace más fiable, y al despejar nuevamente x de la ecuación (5), la concentración final obtenida es 11,81 ppm, que sí se encuentra en el rango esperado. Para calcular el valor real de la concentración, y poder compararlo con el obtenido en el laboratorio por nosotros, se realizó un análisis estadístico de los resultados de la concentración obtenidos por cada grupo que se pueden observar en la tabla 2. Se ha establecido que el nuevo promedio, calculado a partir del rechazo de datos que no se encuentran dentro del rango del valor verdadero (fig. 3), será el valor verdadero. Para llegar a esto, se realizó un promedio con todos los datos, seguido del cálculo de la desviación estándar y el coeficiente de variación de los mismos, después la desviación estándar de la muestra y el valor de distribución t con un nivel de

confianza de 95%, fueron multiplicados para ser sumados y restados al promedio, con lo que se alcanzó el rango entre el cual los datos debían estar, fue así como se realizó el rechazo de datos y se obtuvo el nuevo promedio o valor real.

Tabla 2. 

Datos obtenidos por los 12 grupos de laboratorio y las diferentes longitudes de onda utilizadas para la obtención de la absorbancia.

GRUPO 1 2

[ ] problema 11.6671 10.4163

long onda (nm) 630.3 612,2

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

9.9654 11.4467 11.25 12.2891 10.118 10.6992 11.127 11.81 10.6364 10.51763

626.1 650 639.4 625.5 600 630.2 634.3 650.3 651.4 660

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Gómez, JP, Negrette, M..

Tabla 3.

Análisis estadístico de los datos (promedio, desviación estándar, rechazo de datos y nuevo promedio).

X[] S %CV Sx t (95%)

11.00 0.72 6.54 0.22 2.179

Sx * t μ  R. MÍNIMO R. MÁXIMO NUEVO X

0.47 X + (Sx * t) 10.52 11.47 11.03

DISCUSIÓN En la anterior sección se muestran los datos de absorbancia y concentración obtenidos gracias a la experimentación y a los diferentes instrumentos de laboratorio utilizados. Al realizar todos los procedimientos y cálculos requeridos, se determinó finalmente que la concentración de la solución problema es 11,81 ppm.  Sin embargo, al analizar detenidamente los datos expuestos por otros grupos (tabla 2) y al compararse el valor real (tabla 3) con el obtenido, se llega a la conclusión de que es uno de los datos que se sale del rango promedio. Para analizar este hecho, se deben tomar en consideración diferentes factores que pudieron haber sido causales de error, como las desviaciones debidas a la ley de la espectrofotometría, las desviaciones químicas y las instrumentales. En cuanto al primer tipo de desviación, las limitaciones que existen para la ley de Beer-Lambert son determinantes para los resultados, entre estas se encuentra que, la mayoría de las veces, la ley solo se cumple para soluciones que poseen hasta 0,01 M (Vargas y Loaiza, 2014), sin embargo, en la figura 2,  2,   se evidencia que a partir de la concentración de 25 ppm, la relación deja de ser directamente proporcional; es por esto que fue necesario descartar cierto grupo de datos, debido a que se afectaba de manera significativa la pendiente de la línea de tendencia y por lo tanto, el valor final de la concentración.

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Sin embargo, es importante resaltar que a pesar de no haber alcanzado una concentración que se ajustara al promedio, el conjunto de datos obtenidos confirma sin lugar duda la Ley de Beer-Lambert hasta determinado valora de concentración, esto se puede evidenciar en la figura 3. Las desviaciones químicas se dan por formación de subproductos causados por diferentes reacciones que absorben mayor cantidad de radiación que la muestra, o por presencia de sustancias con características ópticas semejantes (Vargas y Loaiza, 2014). Por último, las desviaciones instrumentales se refieren a contaminación por otras radiaciones o ruido que afectan al sensor del instrumento, además, se tiene debe tener en cuenta la incertidumbre de los mismos, que influye en el margen de error de cada una de las mediciones realizadas. En cuando a recomendaciones para futuros experimentos, se sugiere ser extremadamente cuidadosos con la calibración del sensor de espectrofotometría para tener la mejor recolección de datos posible, se aconseja calibrarlo con el blanco de reactivos (que debe tener 0,00 de absorbancia) entre cada muestra de disolución, de esta manera se minimiza la propagación de errores y que se afecte la absorbancia obtenida para cada solución.

 

Determinación de la concentración de azul de metileno

CONCLUSIONES

REFERENCIAS

En este artículo, se determinó la concentración del azul de metileno en la solución problema propuesta, esto por medio del método de espectrofotometría, el uso de los instrumentos necesarios para las mediciones, y la relación y aplicación de conceptos vinculados a estos

Brunatti C, Martín A. Introducción a la Espectroscopía de Absorción Molecular Ultravioleta, Visible e Infrarrojo Cercano [Internet]. Available from: http://materias.fi.uba.ar/6305/download/Espectrofotom etria.pdf CTR. Hoja De Datos De Seguridad Azul De Metileno. 2012:2–7. Available from: http://www.dcne.ugto.mx/Contenido/CCESH/Fichas Seguridad/Azul de Metileno.pdf Anónimo. Vernier SpectroVis Spectrophotometer. Vargas R, Loaiza H. Análisis digital de señales en espectrofotometría. 1ra ed. Popayán, Colombia: Universidad del Cauca; 2014.

procedimientos como lo fueron la transmitancia, absorbancia, espectro electromagnético y curva de calibración. Se confirmó la ley de Beer-Lambert por medio de gráficas que reflejaron la proporcionalidad directa en determinado rango de concentraciones y se reconocieron las limitaciones que la misma presenta. También se determinaron posibles causales de errores en los resultados finales basándose en análisis estadísticos y tratamiento de datos que se realizaron previamente para poder comprar la concentración obtenida con el valor real de la misma.

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Gómez, JP, Negrette, M.

ANEXO 1 Tabla de las concentraciones y sus valores de absorbancia respectivos a una longitud de onda de 650,30 nm.

ANEXO 2 Imagen del color de las soluciones de mayor a menor desde 50 ppm a 1 ppm.  

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