DETERMINACIÓN DE HIERRO EN MUESTRAS DE AGUA POR ESPECTROSCOPIA ULTRAVIOLETA VISIBLE Zambrano María A Cód.: 0739340.Benítez Leidy.L Cód.: 0827773. Lizcano Jorge Cód.: 0827833. Universidad del valle, Facultad de Ciencias Naturales y Exactas Santiago de Cali, Noviembre 21 de 2010 . _________________________________________________________________________________________
RESUMEN En esta práctica, por medio de la técnica de espectroscopia ultravioleta visible, se determinó la cantidad de Hierro en muestras de agua tomadas en diferentes lugares: agua destilada del laboratorio, agua del lago y agua del baño de hombres del segundo piso mediante la realización de una curva de calibración con estándares de Hierro. Para la preparación de las muestras problema, se tomaron alícuotas de 25 mL de cada muestra y se completaron hasta el enrase de 50 mL con cloruro de hidroxilamina, 1,10 fenantrolina, acetato de sodio y agua. Los estándares y el blanco fueron preparados en condiciones similares. El contenido de hierro encontrado en la muestra de agua destilada fue de , el agua del baño de hombres tiene una concentración de hierro de y finalmente, el agua del lago contiene de hierro, siendo ésta la única muestra con cantidades apreciables de hierro. Ninguna de las muestras supera el límite máximo de hierro permitido en agua potable, el cual es de 0.3 ppm[1]
Palabras
claves:
Espectroscopia Ultravioleta, Espectrofotometría, Ley de Beer Lambert
DATOS, YRESULTADOS 1.
CALCULOS
Curva
de
Calibración,
Absorbancia,
Tabla 2. Datos relacionados a las muestras problema, medidos a 510 nm
Muestra Absorbancia agua destilada Absorbancia agua baño hombres Absorbancia agua del lago
Curva de calibración de Estándares de Hierro 1.1
Tabla 1. Concentración de los estándares y Absorbancias medidas a 510 nm
Absorbancia 0,041 0,049 0,072
Concentración Hierro (ppm) Absorbancia 0,05
0,145
0,1
0,201
0,2
0,445
0,3
0.616
0,4
0,827
0,5
0,925
1.2
Calculo del contenido de Hierro en las muestras de agua analizadas Empleando mínimos cuadrados y con los datos de la tabla 1, se traza la curva de calibración, graficando la absorbancia registrada para cada estándar de Hierro versus la concentración.
La gráfica correspondiente a la curva de calibración se muestra a continuación
Similarmente se repite este procedimiento para las muestras de agua del lago y del baño de hombres
Concentración de Hierro en Agua del baño de hombres:
Gráfica
1. Curva Estándares de Hierro
de
calibración
de
Para la gráfica anterior, la ecuación de la recta es la siguiente:
El coeficiente de correlación para esta curva de calibración es de 0.994, lo cual supone que hay una buena linealidad. Para calcular la concentración de Hierro en agua destilada, se despeja de la ecuación de regresión lineal, y se reemplaza la absorbancia para dicha muestra, de la siguiente manera:
Teniendo en cuenta el factor de dilución, la concentración real de hierro en la muestra de agua destilada es:
Teniendo en cuenta el factor de dilución, la concentración real de hierro en la muestra de agua de baño de hombres es:
Concentración de Hierro en Agua del lago:
Teniendo en cuenta el factor de dilución, la concentración real de hierro en la muestra de agua del lago es:
La única muestra con contenido apreciable de Hierro, es la correspondiente al agua del lago, puesto que las absorbancias de las demás muestras no se encuentran en el rango de la curva de calibración, las cuales dieron concentraciones negativas.
1.2
Cálculo de las absortividades molares para cada estándar A partir de las concentraciones de los estándares, es posible calcular las absortividades molares que cada estándar presenta en el complejo de Hierro con fenantrolina
El valor reportado en la literatura, es de 112000M-1 cm-1[2], entonces, el porcentaje de error en la determinación está dado por
Para el estándar de 0.05 ppm se tiene que:
La relación entre absorbancia y concentración está dada por donde b es el camino óptico de la celda, que suele ser de 1 cm, A es la absorbancia, es el coeficiente de absortividad molar (en unidades de M-1 cm-1)y C es la concentración (en términos de molaridad). Entonces
De igual manera se hace el cálculo para las otras soluciones, los resultados se encuentran en la Tabla 3.
Tabla 3. Concentración molar del complejo Fe-fenantrolina y absortividades molares para cada solución estándar, medidas a 510 nm
Concentración Hierro (M) -7
8,953 x 10 -6 1,791 x 10 -6 3,581 x 10 -6 5,372 x 10 -6 7,162 x 10 -6 8,953 x 10
Promedio
Absorbancia
Absortividad molar (M-1 cm-1)
0,145 0,201 0,445 0.616 0,827 0,925
161956,30 112252,47 124259,58 114672,51 115463,67 103316,95 121986,91
La reacción que ocurre entre el Hierro y la fenantrolina, en forma resumida es Fe+2 + 3Fen [Fe(Fen)3]+2
Cabe resaltar que el valor 112000 M -1 cm-1 no es un referente real, ya que es un valor para darse una idea del coeficiente de absortividad molar del complejo. Puede decirse que el valor obtenido en el desarrollo de esta práctica difiere del referente, dado que al estar reportado en la literatura se tomó bajo ciertos parámetros diferentes a los empleados (no necesariamente se utilizó el mismo equipo ni el mismo rango de la curva de calibración)
2.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
La espectrofotometría de ultravioleta visible (UV-Vis) se basa principalmente en la absorción y emisión de luz por parte de las sustancias a analizar, a su vez, esto tiene gran incidencia en la estructura misma de las moléculas y de los átomos, en su tamaño, en la forma, la distribución de los electrones y la flexibilidad de las mismas. En este tipo de espectrofotometría, se encuentra que uno de los aparatos más utilizados en la determinación de las concentraciones de los analitos en muestras es el espectrofotómetro; el cual es un instrumento que mide la absorción de las radiaciones electromagnéticas, cuyo principio esta basado en la Ley de Beer Lambert, que relaciona la intensidad de luz incidente y de la luz transmitida cuando esta es atravesada por una longitud de onda en un medio que absorbe. Dicho instrumento consta de una fuente de luz caracterizada por un espectro de emisión continuo en un intervalo amplio de longitudes de onda (325 nm-1100 nm) y de un monocromador que actúa como filtro óptico transmitiendo un haz de luz de longitud de onda fija. Aquel haz penetra en la cubeta de análisis donde se encuentra la muestra,
finalmente un detector sensible a la luz mide la intensidad del haz a la salida de la cubeta [3]. La señal obtenida se puede interpretar como la absorbancia de la muestra, la cual se ve es influenciada por diferentes factores, tales como la concentración de la muestra, la intensidad del haz de luz incidente y el camino óptico de dicho haz. Un esquema de un espectrofotómetro de UV Vis puede apreciarse en la figura 1.
soluciones son incoloras. Muchos compuestos de tipo orgánico que forman quelatos son altamente coloreados, y esto los hace muy útiles para realizar análisis cualitativos; tal es el caso de la 1,10 Fenantrolina empleada en la práctica, ya que al acomplejarse con el Hierro, este ligando orgánico exhibe una coloración rojiza muy intensa.La figura 2 muestra la estructura de la 1,10 Fenantrolina, compuesto empleado tanto en la preparación de estándares como de muestras a analizar
N N
Figura
Figura
1. Esquema sencillo espectrofotómetro de UV-VIS
de
un
Dependiendo del tipo de muestra a analizar, se establece si esta o no absorbe. Normalmente, la mayoría de compuestos conocidos suelen absorber en la región UVVis, puesto que emiten algún tipo de color, o por que los grupos funcionales en la estructura permiten que haya lugar a una absorción, sin embargo, las muestras de los metales no son capaces de absorber por si solas en el ultravioleta visible. En el caso de muestras en donde se tengan metales, su determinaciónrequiere que se lleve a cabo previamente una reacción química específica que varia según el analito a determinar (los metales suelen acomplejarse con sustancias o grupos orgánicos que absorben en dicha región del espectro). Entonces, son los productos finales de esta reacción los que se cuantifican utilizando la lectura de la absorbancia de la muestra, así como la de los estándares a emplear. Respecto a la medición de los estándares de Hierro, hay que señalar que como se dijo antes, estos no absorben en la región del espectro visible, debido a que esas
2.Estructura de 1,10-Fenantrolina.
Se debe tener presente que el Hierro presente en el complejo con Fenantrolina se encuentra en forma de Fe +2. Este estado de oxidación es inestable, y por lo general tiende a cambiar muy rápidamente, oxidándose progresivamente hasta llegar a Fe +3 que es un estado de oxidación mucho mas estable. La poca estabilidad del Hierro (II) supone un problema en la determinación a realizar en las muestras de agua y en los estándares, es por eso que se adiciona un agente reductor, en este caso es el cloruro de Hidroxilamina, este reactivo es quién proporciona el menor estado de oxidación para el Hierro, reduciendo los iones férricos (Fe +3) que se lleguen a formar, hasta iones ferrosos(Fe +2) según la siguiente reacción.
(Reacción 1) En resumen, el cloruro de hidroxilamina hace que todo el Hierro presente en la muestra pase de Fe +3 a Fe+2. Por otro lado, es posible que las soluciones acuosas de hierro liberen iones H +tras la formación de hidróxido de Hierro (II) según la reacción siguiente
(Reacción 2) Esos iones pueden incluso ser liberados tras el uso del cloruro de hidroxilamina, tal como se muestra en la ecuación 1. Los iones hidronio pueden interferir durante las mediciones, es por ello que se emplea acetato de sodio, para así neutralizar los iones liberados por el cloruro de hidroxilamina,un segundo uso del acetato es para que éste reaccione con los iones Férricos(Fe+3) que no alcanzaron a ser reducidos por el cloruro de hidroxilamina. Otra probable razón para el uso del acetato, es para que actúe como regulador de pH en el medio, ya que al reaccionar con los iones hidronio, tenderá a formar ácido acético, que en conjunto con el acetato de sodio forma una especie de buffer, entonces, es posible que el complejo de Hierro con Fenantrolina haya de requerir un pH adecuado para poder formarse.Sin embargo, nunca se comprobó si el pH tenía o no que ver con la formación y estabilidad del complejo. Respecto al blanco empleado en las determinaciones, este debe estar sometido a las mismas condiciones en que se encuentran los estándares y las muestras a analizar, por esa razón el blanco lleva el acomplejante (1,10 Fenantrolina), el agente reductor (cloruro de hidroxilamina) y el agente neutralizante (acetato de sodio). Con la utilización del blanco, se asegura que la absorbancia medida en el instrumento provenga netamente del hierro y no de los compuestos mencionados, ya que ellos poseen grupos funcionales que los hacen absorbentes en aquella región del espectro visible. En última instancia, la corrección con el blanco se hizo con el fin de evitar un error en las concentraciones de Hierro de las muestras problema. Para que los complejos de hierro con fenantrolina puedan absorber en la región visible y exhibir una señal, se realizó un barrido inicial de longitudes de onda, desde 400 hasta 600 nm con la solución madre, de concentración 5 ppm de Fe +2, con esta medición lo que se buscaba era encontrar la longitud de onda de máxima absorción que
presentaría el hierro en la región visible, la cual resultó siendo de 510 nm. Esto se debe hacer ya que la longitud de onda es determinante al momento de interpretar la absorbancia entregada por cada estándar y por las muestras analizadas. Se debe tener en cuenta que si bien la ley de Beer Lambert no involucra a la longitud de onda dentro de los cálculos o en las fórmulas para calcular absorbancia, su elección incide fuertemente sobre el valor de la señal medida, pudiendo inducir o no a errores durante la determinación, como falsas señales. Hay que destacar que la absorción del complejo de Hierro también tiene que ver con la teoría del campo ligando, que se refiere al llenado de los orbitales d disponibles en el Hierro por parte del ligando, que es la Fenantrolina. El Hierro metálico posee una configuración electrónica [Ar]4s 23d6. Cuando se oxida a Hierro (II), la configuración pasa a ser [Ar]4s03d6 debido a la pérdida de dos electrones en el orbital 4s. Entonces, los pares de electrones libres presentes en los átomos de nitrógeno de laFenantrolinapasan a ocupar el ahora vacío orbital 4s, también pasarían a ocupar dos de los orbitales 3d de mas alta energía y los tres orbitales 4p mas cercanos, formando un complejo octaédrico con hibridación sp 3d2. El complejo de hierro con fenantrolina se muestra a continuación
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Figura
3. Complejo de Hierro y 1,10
fenantrolina. Este complejo se conoce como Ferroina[4] Este complejo formado, es el que posibilita la absorción del Hierro, para poder realizar su determinación en las muestras y estándares,
también cabe destacar que a la longitud de onda de máxima absorción (510 nm)se genera una energía de transición. Esta es atribuida a los orbitales 3d del ion ferroso en el complejo; y a la vez esa energía es la que da la mayor excitación de esos electrones y la que posibilita la fuerte absorción y por ende, la coloración que se observó en el complejo. Además de la energía de transición, el complejo también le debe su coloración a la deslocalización de sus electrones , en los que hay dos nitrógenos, cada uno de ellos trae consigo un par de electrones desapareados los cuales son los encargados de formar un enlace covalente con el Hierro (II). La resonancia existente en los anillos de bencenotambién ayuda a la fuerte absorción presentada por la deslocalización de los electrones . Una particularidad que presentaron las muestras, es que debía esperarse aproximadamente 15 minutos antes de iniciar las mediciones en el equipo, esto se debe a que posiblemente los iones Ferrosos presentes en el agua, reaccionan lentamente con la Fenantrolina, y que con el paso del tiempo la coloración se hacía mas intensa Respecto a la curva de calibración de los estándares de hierro, esta se realizó a la longitud de onda de máxima absorción, la cual es de 510 nm, correlacionando las absorbancias medidas, respecto de la concentración de los estándares. Es de suponerse que la determinación realizada verifique el cumplimiento de la ley de Beer Lambert, que supone que la relación entre la absorbancia y la concentración debe ser directamente proporcional, evidenciada en una recta con corte en el eje x (a intercepto cero). [5] Sin embargo, al observar la Gráfica 1 y la ecuación de la línea recta (ver sección Cálculos), se evidencia que el corte del origen de la recta no es exactamente en cero, dado que el intercepto es 0.0536, lo cual comprueba que la ley de BeerLambert en este tipo de análisis tiene posibles desviaciones.
Entre las posibles desviaciones de dicha ley, se encuentran las relacionadas a la concentración, al instrumento y a posibles interacciones químicas[6] A concentraciones altas (generalmente mayores que 0,01 M), la distancia promedio entre las especies responsables de la absorción está disminuida hasta el punto que cada una afecta la distribución de cargas de sus vecinas. Esta interacción, a su vez, puede alterar la habilidad de las especies para absorber en una longitud de onda de radiación. Debido a que la extensión de la interacción depende de la concentración, la ocurrencia de este fenómeno provoca desviaciones de la relación lineal entre absorbancia y concentración. Cabe destacar que en las determinaciones desarrolladas no se trabajó a concentraciones tan altas, dado que la solución madre se encontraba a una concentración de 5 ppm y el rango de la curva se localizó entre 0.05 a 0.5 ppm. En cuanto a las muestras de agua, puede decirse que las absorbancias medidas de cada una de ellas no alcanzaron a ingresan a la curva de calibración, pues el menor estándar reportó una absorbancia de 0.145, el agua destilada registró una absorbancia de 0,041, el agua del baño, de 0,049, y finalmente, el agua del lago, de 0,072. Debido a esto, las concentraciones reportadas para las muestras de agua destilada y del baño de hombres exhiben concentraciones negativas (ver sección Cálculos), mientras que la muestra de agua del lago si posee un contenido apreciable de hierro, equivalente a .
El límite establecido según la norma colombiana de agua potable es de 0.3 ppm expresado como Hierro[1], entonces, el porcentaje de error se encuentra dado por:
El hecho de que este porcentaje de error sea alto no implica necesariamente que la determinación haya sido mal realizada, puesto que se está dando cumplimiento al estándar regulatorio de la calidad del agua, ya que la concentración de hierro encontrada es muy inferior a la permitida. Entonces, se puede decir que el agua destilada y el agua del baño de hombres no contienen cantidades apreciables de hierro, dado que exhiben concentraciones negativas Finalmente, en cuanto a las desviaciones y errores relacionados con el instrumento se encuentran las relacionadas con el ruido instrumental[7]. Las principales fuentes de ruido instrumental asociados a dispositivos eléctricos o electrónicos son:
- Ruido térmico: originado por el movimiento térmico de los electrones en las resistencias u otros elementos resistivos de un circuito eléctrico. - Ruido de disparo o degolpeteo : tiene origen cada vez que una corriente transfiere electrones u otras partículas cargadas a través de uniones o cuando los portadores de carga atraviesan las uniones n-p, o llegan a la superficie de los electrodos. - Ruido de parpadeo o fluctuación : Su magnitud es inversamente proporcional a la frecuencia de la señal observada . Su magnitud es importante para frecuencias menores que 100 Hz. . El ruido instrumental se mide por la desviación estándar de la señal producida por los blancos, razón por la que este parámetro aparece en la determinación del límite de detección
el centro de la curva es que en ese punto la precisión de la determinación es mucho mejor, dado que allí hay un intervalo de confianza mucho mas estrecho. Ocurre lo contrario en el método de adición de estándar, donde hay menos precisión, ya que el punto que se interpola está alejado del centroide de la curva y por ende, en esepunto, el intervalo de confianza es mucho mas amplio
¿Qué son efectos de matriz, y en caso de que se presenten, como se podrían corregir? R/ Un efecto de matriz es una interferencia causada por diferencias entre la muestra y un estándar que contiene únicamente el elemento a ser determinado. Estos efectos se presentan principalmente en matrices orgánicas, debido a que en dichas matrices el analito es difícil de extraer, por lo tanto se debe introducir la matriz entera y como esta suele presentar otros compuestos (aminoácidos, proteínas, grasas, etc), estos pueden arrojar una falsa lectura de la muestra. Dichos efectos se pueden corregir preparando estándares de calibración que sean idénticos a la muestra problema en todos los aspectos, excepto en la concentración del analito (método de estándar con ajuste de matriz), otra manera de corregir, es preparar estándares de calibración que contengan la propia muestra en una proporción fija y conocida (método de adición de estándar)
¿Cuál es la importancia del camino óptico en los análisis?
PREGUNTAS ¿Por qué la absorbancia de la solución de la muestra problema debe caer en la mitad de la curva de calibración? R/ El intervalo de confianza se estrecha cada vez mas a medida que un punto experimental se acerca al centro de la curva de calibración y ensancha cada vez mas a medida que se aleja del centro, de lo que se concluye que la razón por la cual la absorbancia debe caer en
R/ La importancia del caminoóptico, es que este definela manera en como el haz deluz atraviesa la celda de análisis
tienen su fundamento en las interacciones de las radiaciones electromagnéticas sobre la materia. y
Figura
4. Representación del Camino óptico
I0 es el haz incidente y I 1 la intensidad de salida. Si el camino óptico es demasiadogrande, entonces le tomará mas tiempoal haz de luz atravesar toda la celdamientras que si este es mas corto (generalmente 1 cm)el haz no tendrá gran dificultad en atravesarla. Dado que la absorbancia aumenta linealmente con la concentración y el camino óptico, puede deducirse que si dicho parámetro disminuye, la absorbancia también tiende a disminuir, ocurre lo contrario con la absorbancia en caso de que el camino óptico aumente
y
y
¿Cuál es la finalidad del acetato de sodio en los análisis? Ver sección Discusión
y
¿Cuál es la finalidad del cloruro de hidroxilamina en los análisis? Ver sección Discusión
CONCLUSIONES Se comprendió la importancia y el uso de la espectroscopía ultravioleta visible como técnica de análisis, se reconoció su utilidad en cuanto a la identificación y cuantificación de Hierro en muestras problema como las analizadas en esta práctica. Así mismo, se reconoció el funcionamiento de los instrumentos que componen al equipo. y
y
y
Se comprendió que el principio de los métodos colorimétricos es el de medir energía radiante, ya sea emitida, absorbida o reflejada. Estas medidas se determinan a través de técnicas fotométricas, las cuales y
El uso de estándares es de gran importancia en determinaciones analíticas que requieran curvas de calibración, ya que los compuestos considerados para este fin deben tener afinidad química con la muestra. Así mismo, el blanco también tiene importancia en la determinación, ya que si este no se emplea ni se prepara a las mismas condiciones de las muestras y de los estándares, podría ser el causante de falsas señales durante las mediciones. En la construcción de la curva de calibración se realizó el análisis a la longitud de onda de máxima absorción, es decir 510 nm, debido a que esto mejora la sensibilidad y minimizaría posibles errores durante la determinación de hierro en las muestras. En los análisis por espectrofotometría se evidencia el no cumplimiento de la ley de Beer Lambert, debido a desviaciones relacionadas con la concentración, el instrumento y respecto a interacciones químicas que se pudieron presentar. De todas las muestras analizadas, la única que presentaba contenido de hierro era la del agua del lago, sin embargo, el hecho de que el valor obtenido, el cual fue de 0.02 ppm difiera del valor establecido de hierro en agua (0.3 ppm) no es un indicativo de que la determinación haya sido completamente errónea, al contrario, es posible afirmar que el contenido de hierro en agua es aceptable. Es posible determinar si existen o no efectos de matriz, siempre y cuando se compare el método de curva de calibración respecto a otro método, como el de adición de estándar Es deseable que en todo análisis por curvas de calibración, las señales referentes a las muestras se localicen en el centro de la curva y no en los extremos, pues en el centro de la curva hay un menor límite de confianza,
y
La determinación de hierro pudo realizarse mejor si se hubiesen empleado estándares de concentraciones mas bajas, para albergar las absorbancias presentadas por las muestras de agua, tanto destilada, como del baño de hombres. A mayor número de puntos en la curva, habrán mejores intervalos de confianza
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS [1]. Norma técnica ColombianaNTC-8 13. Calidad del Agua en Colombia . Contenido de Hierro en agua en:
Revisado Noviembre 20 de 2010
[3]Teoria de la espectrofotometria de ultravioleta visible en: http://ww.fq.uh.cu/dpto/docencia/pregrado/est ruc_2/uv/descargas/uv_1.pdf Revisado Noviembre 21 de 2010
[4].Skoog, D., Fundamentos de Química Analítica. 8ª ed. Thomson Editores. España; 2004, 562 pp.
[5].Ley de Beer Lambert en: http://www.cepis.opsoms.org/bvsacg/e/norma s2/Norma-Col.pdf
http://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_BeerLambert
Revisado Noviembre 20 de 2010
[2]. Valor estimado de la absortividad molar para el complejo Hierro Fenantrolina en: http://enrasamelabureta.wordpress.com/2008/ 03/14/tablas-con-valores-estimativos-deepsilons/
Revisado Noviembre 20 de 2010
[6].Skoog, D., Holler J y Nieman T. Principios de Análisis Instrumental 5ª ed. McGrawHill. México; 2001, 325-328 pp.
[7].Ibid, 329-332 pp
