DETERMINACIÓN DE NITRATOS EN AGUA Se realizó el análisis de nitratos en agua mineral bebible mediante espectrofotometría UV, para lo cual se prepararon muestras de concentración de nitrato lo suficientemente bajas como para que la ley de Beer pueda cumplirse, y luego poder determinar la concentración final. El espectrofotómetro utilizado fue el UV-1700 Shimadzu.
Determinación de Nitratos en Agua por Espectrofotometría Ultravioleta Universidad Nacional Mayor de San Marcos Laboratorio de Análisis Instrumental
Práctica No. 01 01/10/2007 15/10/2007
Facultad de Química e Ingeniería Química Escuela Académico Profesional de Ingeniería Química Departamento Académico de Química Analítica e Instrumentación
Profesor Fernando Anaya Meléndez Stuart Campos Guerra
06070018
N. Orden: 04
Lunes 08am - 12m
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FUNDAMENTO DEL MÉTODO Y OBJETIVOS FUNDAMENTOS ESPECTROSCOPIA ULTRAVIOLETA El espectro Ultravioleta y Visible de las moléculas está asociado a transiciones electrónicas entre los diferentes niveles energéticos en ciertos grupos o átomos de la molécula y no caracterizan a la molécula como entidad. En contraste la absorción de energía en la región Infrarroja estimulan la molécula completa y causa cambios vibracionales y rotacionales en esta lo cual caracteriza la entidad estructural de dicha molécula. Los grupos de átomos que dan origen a la absorción en el UV cercano o UV de cuarzo, se conocen como grupos cromóforos. La mayoría de los grupos insaturados y heteroatómicos que tienen pares de electrones no compartidos, son cromóforos potenciales y estos grupos son la base de la elucidación de grupos estructurales en l as moléculas activas en el UV cercano.
Teoría De Orbitales Moleculares Cuando dos átomos forman un enlace químico, los orbitales atómicos de cada uno de ellos se combinan para formar dos orbitales moleculares, uno de baja energía que es el orbital enlazante y otro de energía mayor, que es el orbital antienlazante (Figura 1). Los enlaces covalentes que se originan entre los orbitales de dos átomos que se enlazan químicamente pueden ser de dos tipos y se conocen como enlaces y enlaces . Al efectuarse dicho enlace covalente se forman simultáneamente orbitales antienlazantes: en el caso de un orbital molecular enlazante y en el caso de un orbital molecular enlazante . Los electrones que no participan en la formación de enlaces covalentes en la molécula, se denominan electrones n o no enlazantes. En las moléculas orgánicas los electrones están localizados principalmente en los orbitales atómicos de átomos como: Nitrógeno, Oxígeno, Azufre y del grupo de los halógenos. Figura 1: Orbitales Moleculares
La absorción de energía radiante en el Ultravioleta o Visible por los electrones , ó resulta en la excitación de éstos, los cuales pasan a ocupar alguno de los orbitales antienlazantes. La absorción de radiación Ultravioleta o Visible es capaz de efectuar dichas transiciones. Mientras mayor sea la energía requerida para una determinada transición, menor es la longitud de onda de la radiación que debe suministrarse para conseguir tal fin; por ejemplo: la Laboratorio de Análisis Instrumental Departamento Académico de Química Analítica e Instrumentación
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transición para el propano requiere de radiación de 135nm, la cual se encuentra en la región del Ultravioleta lejano por lo que es necesario un equipo de alto vacío si se desea estudiar dicha región del espectro. La transición es la que requiere de menor energía y mayor longitud de onda. Las cetonas y aldehídos saturados efectúan esta transición a una longitud de onda de aproximadamente 285nm. Es necesario hacer notar que asociado a estas transiciones electrónicas existen cambios rotacionales y vibracionales en la molécula l o cual origina que el espectro obtenido se aun espectro de bandas y no un espectro de una o más líneas agudas, como sí ocurre en un átomo.
INTERPRETACIÓN Y USOS DE LA ESPECTROSCOPIA ULTRAVIOLETA El espectro Ultravioleta de una molécula se obtiene generalmente en forma adicional al espectro infrarrojo de la misma especie. Este espectro IR frecuentemente sirve como dato confirmativo de la ausencia o presencia de ci ertos grupos funcionales. En algunos casos la espectroscopia UV puede ser fundamental para el estudio de ciertos problemas específicos. Por ejemplo en la industria de los cosméticos, tintes, colorantes y pinturas. El estudio de los grupos auxocromos y de su influencia en el desplazamiento de ciertos compuestos químicos hacia la región visible hacen de esta técnica una de las de mayor interés en ésta área. Desde el punto de vista del estudio estereoquímico y de grupos funcionales en una molécula orgánica, la espectroscopia UV no rivaliza con otras técnicas que tienen el mismo propósito, especialmente con la espectroscopia IR por las razones mencionadas anteriormente, sin embargo su aplicación en la cuantificación de sustancias que absorben radiación UV la hacen una técnica insustituible. Existe un gran número de técnicas para determinar substancias que no tienen un número suficiente de grupos cromóforos para que la banda de absorción esté dentro del espectro Visible; por ejemplo ácidos orgánicos, alcoholes, fenoles, aldehídos, cetonas, etc. Muchos de este tipo de compuestos muestran al menos una banda de absorción en el UV cercano y tomando como dato su longitud de onda de máxima absorbancia se pueden cuantificar en la misma forma en que se determina compuestos en espectroscopia Visible. Es posible determinar un gran número de sustancias como son: ácido ascórbico, fructuosa, glicerol, ácido 1-glutámico, lactosa, galactosa, maltosa, glucosa, rafinosa, sorbitol, etanol, ácido acético, etc. Estas técnicas analíticas son de múltiples aplicaciones en bioquímica general y bioquímica de alimentos, y esta es la razón de su importancia. En Química Clínica también son muy utilizados los métodos de espectroscopia UV.
OBJETIVOS Los objetivos principales de la práctica son: Aprender el manejo y uso del espectrofotómetro UV. Determinar la cantidad de nitratos presentes en el agua mineral bebible. Trazar las curvas de calibración y de adición de patrón.
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DESCRIPCIÓN BREVE DE LA TÉCNICA EMPLEADA Este método es aplicable a muestras limpias con bajo contenido de materia orgánica, tales como las provenientes de plantas de suministro y/o pozos de agua subterránea. Las mediciones se realizan utilizando un fotómetro a 220nm, para concentraciones inferiores a 10ppm, rango para el cual se cumple la Ley de Beer. Teniendo en cuenta que tanto la materia orgánica como el ion nitrato absorben energía radiante a una longitud de onda de 220nm y que la materia orgánica mas no el nitrato, absorbe también a 275nm, el método analítico realiza las mediciones a estas dos longitudes de onda, con el objeto de corregir las primeras mediciones por la interferencia que haya podido ocasionar la materia orgánica presente en la muestra. El método fotométrico es muy bueno para muestras limpias y puede adaptarse bien para muestras con materia orgánica, siempre que ésta permanezca estable y constante. La filtración de las muestras a través de membranas de 0,45 antes de realizar las mediciones, ayuda bastante a minimizar las interferencias ocasionadas por presencia de materia orgánica en las muestras.
DESCRIPCIÓN BREVE DEL INSTRUMENTO El
nombre
del
equipo
utilizado
es:
Espectrofotómetro UV-Visible UV-1700, de marca Shimadzu®. Especificaciones: (exactitud espectral, resolución, exactitud fotométrica, etc. ...) y funciones en conformidad con las farmacopeas de EE.UU., Europea y Japonesa. Validación del hardware (9 ítems) como estándar. Soporte IQ/OQ* Diseño compacto - modelo liviano de sólo 17 kg que puede ser transportado por una persona. Operación sencilla con teclas específicas para f unciones. Facilidad en la operación a través de la amplia pantalla de cristal líquido. Funciones completas para análisis cualitativo y cuantitativo instaladas como estándar; se pueden agregar programas especiales usando tarjetas IC. Compatible con PC usando software bajo Windows. Modo de medición fotométrica de múltiples longi tudes de onda (estándar). *IQ/OQ contiene los siguientes detalles que son verificados y registrados durante la instalación del equipo. Son documentos fundamentales para cumplir con las pautas de la FDA. 1. IQ (Calificación de la Instalación) Confirma que el instrumento fue instalado correctamente en la configuración original y en el ambiente apropiado. 2. OQ (Calificación de Operación) Confirma que el instrumento alcanzó el desempeño original deseado. Laboratorio de Análisis Instrumental Departamento Académico de Química Analítica e Instrumentación
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ACCESORIOS DEL INSTRUMENTO Utilice el software UVProbe para controlar el UV-1700 mediante una computadora personal. El paquete incluye funciones para mediciones fotométricas, espectrales y cinéticas, además de elaboración de informes.
CÁLCULOS DETALLADOS Preparación de la solución Stock:
Preparando la solución intermedia mediante dilución de la solución Stock:
Preparación de las soluciones de Lectura: No. De Solución 1 2 3
(mL)
(mL) Intermedia (mL) 1 3 5
1 1 1
50 50 50
Concentración final (ppm) 0.1 0.3 0.5
Haciendo los cálculos para la solución número 1:
TABLA DE RESULTADOS La longitud de onda de absorción máxima que se obtuvo mediante una lectura rápida (modo SCAN) con el instrumento utilizado una línea base entre 350 y 170nm, fue de 201.5nm.
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En la lectura de los Estándares preparados (soluciones de lectura, para realizar la cuerva de calibración):
Estándar
Concentración (ppm)
Absorbancia
0 (blanco) 1 2 3
0 0.1 0.3 0.5
-0.049 0.005 0.107 0.287
Se realiza el ajuste por mínimos cuadrados:
Concentración Absorbancia 0.00
-0.049
0.000
0.000
0.10
0.005
0.001
0.010
0.30
0.107
0.032
0.090
0.50
0.287
0.144
0.250
0.90
0.350
0.176
0.350
Se obtiene la ecuación:
Calculamos el coeficiente de correlación, a partir de la covarianza de desviaciones estándar de y .
y
, y de las
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Este coeficiente de correlación, al estar tan cercano a 1, nos indica que estos datos forman una recta de pendiente positiva al ser graficados, como se aprecia en la sección gráficas. Para la curva de adición de patrón se hace un cálculo semejante, donde la recta obtenida es:
Este valor de nos dice que coinciden perfectamente para una recta, y como la pendiente es casi igual a la de la curva de calibración, decimos que se puede confiar en los resultados de la primera. En la lectura de las muestras:
Muestra
Absorbancia
Concentración (ppm-N)
1 2 3
0.050 0.376 0.406
0.168 0.660 0.707
Para el cálculo de la concentración de la muestra 2:
De estas concentraciones, las coinvertimos a concentración de nitrato y las llevamos al volumen de muestra sin diluir:
(ppm) 0.168 0.660 0.707
1.212 4.763 5.102
en agua mineral (ppm) 60.617 79.379 51.019
Para la curva de adición de patrón se tuvo los siguientes resultados:
0 1 2 3
0.024 0.191 0.217 0.356
0.126 0.381 0.421 0.631
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TRATAMIENTO ESTADÍSTICO Se obtienen los datos estadísticos principales para estas tres muestras:
Entonces el resultado de la concentración de ni tratos es:
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL MATERIALES Y REACTIVOS Balanza Analítica. Desecador de Vidrio con agente deshidratante. Pipetas Volumétricas de 1, 2, 4,4 y 5mL. Matraces Volumétricos de 10, 50, 100 y 500mL.
EQUIPOS Espectrofotómetro UV-Visible, Shimadzu 1700, para uso 220nm y 275nm. Celdas de Cuarzo.
PROCEDIMIENTO Obtención de la Curva de Calibración Encender el espectrofotómetro. Seleccionar la longitud de onda de máxima absorbancia. Correr el blanco en el equipo para obtener un factor de corrección. Seleccionar los parámetros del método (en este caso seleccionar la línea base de 350 a 190nm). Leer las soluciones de estándar (soluciones de lectura) y anotar los valores. Graficar la curva de calibración con los valores obtenidos.
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Tratamiento de la Muestra Las muestras se preparan de la siguiente forma:
1 3 5
1 1 1
50 50 50
Estas muestras se colocan en el espectrofotómetro para la lectura correspondiente de las absorbancias. Para la preparación de las muestras para la curva de adición de patrón:
1 1 1 1
0 1 2 3
1 1 1 1
50 50 50 50
De igual manera, se realiza el análisis con el espectrofotómetro para estas muestras y se procede a graficar la curva de adición de patrón. Los resultados obtenidos con el Software UVProbe se observan en la figura 2.
Figura 2: Resultados del UVProbe
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DISCUSIÓN DE RESULTADOS Podemos atribuir la falta de precisión en los resultados del análisis de las muestras a la mala manipulación de las celdas de cuarzo, pues se determinó en el trazado de la curva de calibración por adición de patrón que la solución estaba preparada correctamente. Cabe notar que hubo una rotulación equivocada de las soluciones, lo que pudo llevar a errores consiguientes de lectura. Esta es la razón por la que leemos que la concentración de nitratos en el agua es tan alta, pues aparte de esto, no se realizó la corrección que se debió haber hecho a los 275nm, debido a la falta de tiempo en el laboratorio d e instrumentación. Se debe tener en cuenta que el límite establecido para la concentración de nitratos en el agua es de 45mg/L a nivel mundial.
DISCUSIÓN DE LA TÉCNICA EMPLEADA En el laboratorio, no se realizó la medición a 275nm para tener una corrección. Esto no se realizó debido a que se asumió que esta agua estaba libre de materia orgánica y que esta no estaba interfiriendo con la medición en la longitud de onda máxima. En general esta técnica de determinación de nitratos en agua es la usada como método estándar, debido a su alta precisión, encontrándose además, registrada en el I NDECOPI.
CONCLUSIONES Se concluye, que no se pudo determinar exactamente el contenido en nitratos en el agua mineral que consumimos (agua Vida) pero podemos asegurar que contiene menos de 63.7mg/L de nitratos pues este valor estaría representando a todas las especies que absorben radiación a esta longitud de onda.
RECOMENDACIONES Se recomienda mayor precisión y cuidado en la preparación de las soluciones para la muestra, así como tal vez un mejor manejo de las celdas de cuarzo en el equipo, pues se determinó que hubo error en este sentido. También se recomienda analizar a su vez otros tipos de agua mineral, pero provenientes de manantiales, para poder verificar su mayor limpidez en comparación al resto.
BIBLIOGRAFÍA Principios de Análisis Instrumental . Skoog – Holler – Nieman McGraw-Hill Interamericana de España. Quinta edición. 2001
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