Informe Absorcion Atomica

INFORME DE LABORATORIO DETERMINACION DE LA CONCENTRANCION DE HIERRO EN UNA MUESTRA LIQUIDA MEDIANTE LA TECNICA DE ESPECTROSCOPIA DE ABSORCION ATOMICA

DANY ESTER CARABALLO LAZA PEDRO LUIS VIDAL GONZALEZ LUIS EDUARDO PALENCIA ANAYA JUAN DAVID ALVARINO MORALES

M.S.C EDINELDO LANS

CURSO DE QUIMICA ANALITICA II PROGRAMA DE QUIMICA FACULTAD DE CIENCIAS BASICAS UNIVERSIDAD DE CORDOBA MONTERIA - CORDOBA 2016

1. INTRODUCCIÓN En el siguiente informe mostraremos como determinar la concentración de hierro en una muestra a través de la técnica de espectroscopia de absorción atómica. El presente procedimiento puede aplicarse para la calibración, de otros metales también en unas condiciones experimentales determinadas, de Espectrofotómetros de Absorción Atómica (con sus correspondientes accesorios instrumentales: generadores de hidruros, inyectores automáticos…), tanto los que verifican la atomización por la acción de una llama o mediante una cámara de grafito. Dicha calibración, por corresponder a un equipo que constituye un sistema instrumental complejo y por tratarse de una técnica espectrofotométrica, se lleva a cabo por interpolación sobre la correspondiente recta de regresión. Por otra parte, hay que tener en cuenta que, para poder aplicar la correspondiente calibración para el desarrollo de la determinación analítica de un elemento, debe efectuarse un tratamiento análogo de los patrones y de las muestras y, además, deben coincidir lo más posible las naturalezas químicas de sus matrices.

2. OBJETIVOS Objetivo General Determinar el contenido de un metal en una muestra problema, empleando el método de absorción atómica.

Objetivos Específicos Aprender el funcionamiento y uso de un instrumento de absorción atómica. Analizar la relación que existe entre la absorción de radiación y la concentración de un ion metálico en solución. Realizar una curva de calibrado para ciertos estándares de hierro.

3. MARCO TEORICO a. Espectroscopia de Absorción 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 como espectro de líneas. El elemento en estudio es situado en una llama, donde es disociado de sus enlaces químicos y, por ganancia de electrones, se sitúa en un estado atómico base neutro no excitado ni ionizado. 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 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 volatilizada y descompuesta 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. Descripción de la técnica de 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 llega a un detector o transductor y pasa a un amplificador y por último a un sistema de lectura. Componentes:   

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 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 a 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: 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 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, argón, 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.

Atomizadores de llama: 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. Propiedades 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 arriba de la punta del 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 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 borde exterior, o a la zona de combustión secundaria, en donde la se puede presentar antes de que los productos de la atomización se dispersen en la atmósfera.

átomos

llevados al oxidación

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 rara vez constituye un problema.

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. b. Instrumento de EAA utilizado en la experimentación:

Thermo S Series AA Spectrometer

c. 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 usa en el método de los mínimos cuadrados lineales. 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. 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 recta de mejor ajuste quedan los datos. La relación matemática que representa esta suposición se llama modelo de regresión, y se podría representar con

y = mx + b 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 Para determinar una concentración desconocida cx 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 cx como se muestra en la siguiente ecuación: C x=

y x −b m

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. Para la construcción del modelo de regresión se utilizó el software Microsoft Office: Excel 2016.

4. PROCEDIMIENTO

Materiales 4 balones aforados de 25 ml.

1 balón aforado de 50 ml. 2 pipetas transfer de 1000 µl y 200 µl Sln madre de 1000 mg Fe/L

Preparación de Estándares: Se preparan una solución intermedia de 5 mg/L apartir de una solución madre de 1000mg Fe/L para preparar una solución de 0,1 mg/L. Para concluir el proceso de preparación de soluciones se tabula el procedimiento.

Estándar 1 2 3 4

Vol. a extraer(µl) 125 25 50 75

Sln a extraer C. de estándares(mg/L) Sln intermedia de 5 mg/L 0,1 Sln madre de 1000 mg/L 1 Sln madre de 1000 mg/L 2 Sln madre de 1000 mg/L 3

Posteriormente se dispone a hacer el análisis de absorción atómica de la muestra, en supervisión del auxiliar.

5. ANÁLISIS Y RESULTADOS Parámetros del Análisis de Hierro (Fe) Para la determinación de hierro por el método de llama por absorción atómica se adoptaron parámetros instrumentales, los cuales ayudan a eliminar posibles interferencias para una normal medición del analito de interés. Estos parámetros son los siguientes:

Longitud de Onda(λ):

248.2 nm

Ancho de Banda:

0,2

Tipo de llama:

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, el equipo de absorción atómica S Series AA Spectrometer mostro los siguientes resultados después de hacer realizar las gráficas pertinentes.

Hierro De acuerdo a los datos de absorbancia medidos a una longitud de onda de λ= 248,2nm, se reportan en la tabla 1, la curva de calibración se muestra en la figura 1. Tabla 1. Curva de calibración para análisis de Hierro Análisis de Fe ID Muestra mg/L Blanco 1 0 Blanco 2 0 Estándar 1 0,1 Estándar 2 1 Estándar 3 2 Estándar 4 3 Muestra N°2 X

Abs -0,004 -0,0018 0,005 0,072 0,144 0,221 0,152

Figura 1. Curva de calibración para análisis de Hierro

0.25 0.2

f(x) = 0.07x - 0 R² = 1

0.15 ABSORBANCIA

0.1 Linear ()

0.05 0

0

0.5

1

1.5

2

2.5

-0.05 concentracion de Fe(mg/L)

3

3.5

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

9,4 mm

Flujo de gas:

0,9 L/min

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.

Determinación de la concentración de la muestra problema. En este caso se empleó para el cálculo de las concentraciones la ecuación 1, resultante del despeje modelo de regresión lineal aplicado a los datos reportados de hierro. |+0,0033| C= 0,0745 Ecuación 1. Concentracion de Hierro C: Concentración en mg Fe/L Abs: Absorbancia de la muestra = 0,152 C=

0,152+ 0,0033 =2,0845 mg Fe/ L 0,0745

La concentración de Fe en la muestra problema es de 2,0845 mg/L y de acuerdo al factor de correlación (R2) resultante de los datos con un valor de 0,9999; se puede concluir que los resultados arrojados por el equipo de absorción atómica con este estándar son confiables.

Análisis Estadístico Error de estimación del método de curva de calibrado: x 0,1 1 2

y 0,005 0,072 0,144

x2 0,01 1 4

y2 0,000025 0,005184 0,020736

xy 0,0005 0,072 0,288

3 6,1

Suma

0,221 0,442

9 14,01

0,048841 0,074786

0,663 1,0235

Ecuación 2. Desviación estándar de Y y X en el modelo de regresión: S y , x : S y , x=

√

∑ Y 2−b ∑ Y −m ∑ XY =0,001424 n−2

Ecuación 3. Desviación estándar de la pendiente(m) en el modelo de regresión: S m : S m=S y , x

√

n 2

n ∑ X −( ∑ X ) 2

=0,000764

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

√

∑ X2 2 n ∑ X 2−( ∑ X )

=0,002453

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 de aproximadamente 0,0044) Para determinar la sensibilidad se utiliza la siguiente ecuación: S=

0,0044 m

Ecuación 5. Sensibilidad del método S:

Sensibilidad.

m:

Pendiente de la curva de calibración

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

S=

0,0044 =0,05906 mg Fe /L 0,0745

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

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. Tabla 2. Datos para el límite de detección. Blanco 1 2 Promedio D. Estándar

Abs del Blanco -0,004 -0,0018 -0,0029 0,001556

Para determinar el límite de detección se emplean las siguientes formulas S m=S bl+ kS bl Ecuación 6. Mínima señal distinguible Cm =

S m−S promedio(bl) m Ecuación 7. Límite de detección

Donde: S m : Mínima señal distinguible. S bl : Señal promedio del blanco K : Constante de nivel de confianza igual a 3 s bl : Desviación estándar de las mediciones del blanco m: Pendiente de la curva Cm : Limite de detección

Entonces: S m=−0,0029+3 ( 0,001556 )=0,001766 UA Cm =

0,001766−(−0,0029) =0,062 mg Fe / L 0,0745

Para el límite de detección instrumental se obtuvo una concentración de 0,062 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)

0,001424 0,000764 0,002453 0,05906 mg/L 0,062 mg/L

6. Conclusión A través de los métodos usados podemos 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 0,9999, 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.

7. Bibliografía  

Principios 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/bitstream/11059/3141/1/5430858G633.pdf