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DEPARTAMENTO DE QUÍMICA

DETERMINACIÓN DE COBRE POR ABSORCIÓN ATÓMICA

Módulo: Análisis Instrumental

Tema: Absorción Atómica

Laboratorio: Análisis Instrumental

Duración (horas): 1

Contenido OBJETIVO ............................................................................................................................................................................ 2 FUNDAMENTO TEÓRICO............................................................................................................................................. 2 MATERIALES, REACTIVOS, INSTRUMENTOS .................................................................................................... 6 PROCEDIMIENTO ............................................................................................................................................................ 6 RESULTADOS ................................................................................................................................................................. 11 OBSERVACIONES.......................................................................................................................................................... 17 APLICACIONES, UTILIDAD DE LA PRÁCTICA ................................................................................................. 18

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DETERMINACIÓN DE COBRE POR ABSORCIÓN ATÓMICA OBJETIVO Determinación de la concentración de cobre en una disolución de CuCl 2.2H2O mediante la técnica de Absorción Atómica.

FUNDAMENTO TEÓRICO Cuando se desea analizar un metal a nivel de trazas, normalmente se utiliza una técnica de espectroscópica atómica. El estudio espectroscópico de átomos con radiación ultravioleta y visible solo se puede hacer en fase gaseosa, que es donde los átomos e iones se encuentran bien separados entre sí. Por eso, el primer paso en todos los procedimientos espectroscópicos atómicos es la atomización; un proceso por el cual una muestra se volatiliza y descompone de forma que se produce un gas atómico. El rendimiento y la reproducibilidad del paso de atomización determina en gran medida la sensibilidad, precisión y exactitud del método, es decir, es el paso crítico en espectroscopía atómica. Los métodos espectroscópicos atómicos se clasifican en función de cómo se atomiza la muestra; en este caso, la técnica empleada para la determinación de cobre será la de Absorción atómica con atomización de llama. La propiedad medida es la absorción de la radiación, a la longitud de onda adecuada, de los átomos presentes en el camino óptico. Para realizar un análisis empleando la técnica de absorción atómica, la muestra (normalmente una disolución) es introducida convenientemente en diferentes fuentes caloríficas (por ejemplo: una llama). Después de la evaporación del disolvente, la llama proporciona suficiente energía para disociar los enlaces químicos y liberar átomos metálicos en estado fundamental que absorben radiación electromagnética de una longitud de onda característica en cada caso. La banda de longitudes de onda a la que absorbe cada elemento es estrecha y prácticamente única. Los átomos no excitados absorben luz y sus electrones de valencia pasan al estado excitado. Como resultado de esta absorción se produce una disminución de la intensidad de la radiación inicial. La cantidad de radiación absorbida a través de la llama (camino óptico) será proporcional a la concentración de átomos del elemento presentes en la misma (Ley de Lambert-Beer).

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DETERMINACIÓN DE COBRE POR ABSORCIÓN ATÓMICA A continuación se muestra un esquema de un espectrofotómetro de Absorción Atómica:

Un espectrofotómetro de absorción atómica de llama consta de la siguiente instrumentación básica necesaria para poder realizar medidas de absorción:

Una fuente de radiación: Las fuentes de radiación empleadas en el espectrofotómetro de absorción atómica deben originar una banda estrecha, de intensidad adecuada y estabilidad suficiente, durante períodos de tiempo prolongados. Las más comúnmente utilizadas son las lámparas de cátodo hueco. Estas lámparas están constituidas por un cátodo metálico capaz de emitir radiaciones de las mismas longitudes de onda que son capaces de absorber los átomos del elemento que se desea analizar.

ESQUEMA DE UNA LÁMPARA DE CÁTODO HUECO

La lámpara empleada para esta determinación será con cátodo de Cu VERÓNICA NISTAL

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DETERMINACIÓN DE COBRE POR ABSORCIÓN ATÓMICA Un nebulizador, que por aspiración de la muestra líquida, forme pequeñas gotas para una atomización más eficiente. Un tipo muy común de nebulizador es el que aspira la muestra a través de un tubo capilar; debido a la gran velocidad del gas en el extremo del capilar, el líquido se dispersa en gotitas muy finas. Casi siempre, el gas que se utiliza para este proceso es el oxidante (aire), y a continuación el aerosol formado se mezcla con el gas combustible (acetileno).

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. Para obtener una llama en el quemador se requiere un combustible (acetileno) y un oxidante (aire). Las condiciones que debe cumplir una llama para considerarla satisfactoria es que tenga una temperatura adecuada y que su ruido de fondo no interfiera en las observaciones a efectuar. Las gotas de solución que alcanzan a llegar al quemador se convierten en gas atómico en tres pasos: 1- Desolvatación: El líquido disolvente se evapora y la muestra permanece seca. 2- Vaporización: La muestra sólida se evapora a gas. 3- Atomización: Los compuestos que componen la muestra se dividen en átomos libres. El gas atómico formado es capaz de absorber radiación de una longitud de onda característica.

Un sistema óptico (Monocromador) 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 indica amplifica la señal eléctrica producida, para que en el siguiente paso pueda ser procesada con circuitos y sistemas electrónicos comunes.

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). VERÓNICA NISTAL

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DETERMINACIÓN DE COBRE POR ABSORCIÓN ATÓMICA ANÁLISIS CUANTITATIVO El análisis cuantitativo en espectroscopía de absorción atómica es semejante al realizado en espectroscopía UV-Vis. Se preparan una serie de patrones y se hace una curva de calibrado externo, en base a esta gráfica se determinan las concentraciones de las disoluciones problema. Esta representación será una recta si se cumple la ley de Lambert-Beer; sin embargo, muchas veces se curva debido a que se producen desviaciones de dicha ley, motivadas por diferentes razones, por ejemplo, por las características de la fuente o las propiedades de la llama. Por este motivo, es conveniente trabajar en el intervalo de linealidad del método, que podremos consultar en un manual proporcionado por el fabricante del espectrofotómetro de absorción atómica.

INTERFERENCIAS Las determinaciones en absorción atómica, como en cualquier otro método analítico, están sujetas a numerosas interferencias. Las principales fuentes de interferencia son: 1- Emisión molecular de óxidos metálicos y compuestos refractarios. 2- Dispersión de radiación o absorción por parte de las partículas sólidas o gotas de disolvente no vaporizadas. 3- Interferencias debidas a la presencia de muchos átomos ionizados, especialmente en llamas calientes. La formación de iones en lugar de átomos origina una disminución de la absorbancia. 4- Formación de compuestos refractarios: a) Los aniones de la muestra pueden reaccionar con el elemento a determinar originando un compuesto refractario y una disminución de la absorbancia. b) Los elementos de la muestra reaccionan con el oxígeno o los iones hidróxido de la llama originando una disminución del número de átomos.

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DETERMINACIÓN DE COBRE POR ABSORCIÓN ATÓMICA MATERIALES, REACTIVOS, INSTRUMENTOS MATERIALES

REACTIVOS

Matraces aforados de 25 mL

Patrón: Disolución de Cu (1000 ppm)

Vasos de precipitados

Disolvente: Agua desionizada

Micropipetas

Muestra problema: Disolución de CuCl2.2H2O

Pipeta Pasteur

INSTRUMENTOS Aparato de Emisión/Absorción de llama SpectrAA-50B

PROCEDIMIENTO Para la determinación de cobre en una muestra problema se emplea un aparato de Emisión/Absorción de llama SpectrAA-50B que funciona con una mezcla de Aire-Acetileno.

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DETERMINACIÓN DE COBRE POR ABSORCIÓN ATÓMICA Los pasos a seguir son: 1- Abrir la bombona de acetileno girando en el sentido de las agujas del reloj y comprobar las presiones; el manómetro de la derecha indica la presión de la bombona que no puede bajar de 5 y el de la izquierda la presión de salida del acetileno que ha de estar alrededor a 1.

2- Encender el equipo

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DETERMINACIÓN DE COBRE POR ABSORCIÓN ATÓMICA 3- En la  pantalla  nos  ponemos  encima  de    “Usuario”  y  pulsamos  “Intro”

Aparecerá un listado de los métodos que tiene el equipo(los de emisión tienen una E al final), seleccionamos el  de  cobre  y  pulsamos  “Intro” para entrar en el método.

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DETERMINACIÓN DE COBRE POR ABSORCIÓN ATÓMICA 4- Aparecerá una pantalla en la que se muestran los parámetros del instrumento, comprobaremos que está seleccionado Absorbancia, la longitud de onda y rendija adecuadas al método elegido, empleando para ello un manual proporcionado por el fabricante.

El manual también nos muestra el rango de concentraciones de trabajo recomendado para una respuesta lineal del método.

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DETERMINACIÓN DE COBRE POR ABSORCIÓN ATÓMICA 5- Pulsamos “Optimizar”  y  se  encenderá  la  lámpara, en este momento se comprueba que la palanca se encuentre en la posición de la lámpara para cobre.

6- Comprobamos la alineación del mechero con la lámpara, para ello utilizamos una tarjeta proporcionada por el fabricante. La tarjeta se coloca en tres punto distintos a lo largo del mechero y se comprueba que la luz aparece en la zona marcada con un círculo en la tarjeta.

Si obserbamos que la alineación del mechero no es la correcta, puede corregirse manualmente.

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DETERMINACIÓN DE COBRE POR ABSORCIÓN ATÓMICA 7- Dejamos calentar la lámpara durante 15 minutos; mientras tanto vamos preparando los patrones. Se preparan 5 patrones en matraces de 25 mL dentro del intervalo de respuesta lineal del equipo a partir de una disolución patrón comercial de cobre de 1000 ppm. Patrón P-1 P-2 P-3 P-4 P-5

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Volumen (mL)

25

Alícuota patrón (mL)

[Cu] (ppm)

25 50 75 100 125

1 2 3 4 5

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DETERMINACIÓN DE COBRE POR ABSORCIÓN ATÓMICA 8- Abrimos la llave de acetileno del puesto de trabajo, comprobando en el manómetro que la presión se encuentre entre 0.8 y 1.

9- Encendemos el mechero pulsando el botón sin soltar hasta que se encienda la llama.

La llama ha de ser limpia y continua.

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DETERMINACIÓN DE COBRE POR ABSORCIÓN ATÓMICA 10- Optimizamos la lámpara, el valor ha de estar próximo a 1.

11-Optimizamos la señal aspirando la disolución correspondiente al blanco (en este caso agua desionizada)  y  pulsando  “ALT+  Lectura”. Esto se hace para ajustar el cero instrumental.

12-Para medir los patrones pulsamos calibrar, en la pantalla debemos introducir la concentración de cada patrón o su correspondiente numeración ya que no se empleará el equipo para elaborar la recta de calibrado.

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DETERMINACIÓN DE COBRE POR ABSORCIÓN ATÓMICA 13-Introducimos los  patrones  de  menor  a  mayor  concentración  pulsando  “Lectura” para registrar el dato de absorbancia.

14-Una vez que hemos medido todos los patrones representamos gráficamente los datos de absorbancia obtenidos frente a las concentraciones de los patrones obteniendo la siguiente recta de calibrado en la que hemos eliminado el tercer patrón para obtener un mejor ajuste.

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Patrón

[Cu] (ppm)

Absorbancia

P-1 P-2 P-3 P-4 P-5

1 2 3 4 5

0,250 0,449 0,664 0,821 1,025

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DETERMINACIÓN DE COBRE POR ABSORCIÓN ATÓMICA 15-Medida de la muestra problema La muestra problema está constituida por una disolución de CuCl2.2H2O y como dato de referencia sabemos que su concentración es aproximadamente 1,26 g/L. Calculamos la concentración de Cu de la muestra en ppm: [CuCl2.2H2O] (g/L)

1,26

pm CuCl2.2H2O (g/mol) pm Cu (g/mol) [Cu] (ppm)

170,45 63,55 469,77

Para que la muestra entre en la recta de calibrado ha de ser diluida (1:100 para que su concentración se encuentre sobre los 4 ppm) y como se quieren llevar a cabo tres medidas de la muestra se realizan las siguientes diluciones: MUESTRA

Volumen (mL)

Alícuota muestra (mL)

Factor de dilución

25

150 200 250

167 125 100

M-1 M-2 M-3

Las disoluciones se preparan igual que los patrones; en matraces de 25 mL utilizando como disolvente agua desionizada. Se pulsa   la   tecla   “Resultados” y se introducen las muestras pulsando “Lectura” para obtener su valor de absorbancia:

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DETERMINACIÓN DE COBRE POR ABSORCIÓN ATÓMICA 16-Terminada la medida esperamos un momento a que el agua circule y limpie el sistema de aspiración, apagamos el mechero, cerramos la llave de acetileno del puesto de trabajo y apagamos el equipo registrando el uso del equipo en la hoja de trazabilidad correspondiente.

17-Se apaga la bombona de acetileno y se cubre la hoja de control de gases.

RESULTADOS Los valores de absorbancia obtenidos tras la medida de las diferentes diluciones de la muestra son: MUESTRA

Volumen (mL)

Alícuota muestra ( L)

25

150 200 250

M-1 M-2 M-3

Factor de dilución Absorbancia 167 125 100

0,609 0,814 0,98

Conociendo la ecuación de la recta de calibrado podemos sustituir el valor de absorbancia (eje y) y obtener así los valores de [Cu](eje x) en las diluciones:

Recta de calibrado: y= 0.1922x + 0.0596

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MUESTRA Absorbancia M-1 M-2 M-3

[Cu] en dilución (ppm)

0,609 0,814 0,98

2,858 3,925 4,789

Multiplicando el valor de [Cu] en dilución por el factor de dilución en cada uno de los casos, conoceremos la [Cu] en la muestra: MUESTRA Factor de dilución

[Cu] en muestra (ppm)

167 125 100

M-1 M-2 M-3

476,41 490,63 478,88

Una vez obtenidos los valores de [Cu] en la muestra problema se calcula la concentración de CuCl2.2H2O para saber si el resultado obtenido es similar al dato proporcionado como referencia para esta muestra. Para ello basta con conocer el peso molecular de CuCl2.2H2O y el peso atómico del Cu. El resultado se expresará en g/L: pm CuCl2.2H2O (g/mol) pm Cu (g/mol)

170,45 63,55

MUESTRA [Cu] en muestra (ppm) M-1 M-2 M-3

476,41 490,63 478,88

[CuCl2.2H2O](g/L) 1,28 1,32 1,28

Se calcula la media de las tres muestras obteniendo un resultado final que es bastante parecido al valor de referencia (1.26 g/L) proporcionado al principio de la determinación:

RESULTADO 1,28 g/L de CuCl2.2H2O

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DETERMINACIÓN DE COBRE POR ABSORCIÓN ATÓMICA OBSERVACIONES En este tipo de determinaciones se trabaja con volúmenes muy pequeños por lo que un punto crítico a la hora de preparar las disoluciones tanto de patrones como de muestras es la medida de esos volúmenes por lo que sería necesario el uso de micropipetas que midan correctamente pequeños volúmenes o la realización de disoluciones intermedias que nos permitan coger volúmenes mayores que no arrastren tanto error. Otro punto importante a la hora de realizar la determinación es el tiempo de espera necesario para que la lámpara se caliente (15 min). En este caso, el blanco empleado es agua desionizada ya que las disoluciones se prepararon utilizándola como disolvente pero hay casos en los que se emplean otros disolventes que han de ser utilizados posteriormente como blanco. Para evitar contaminaciones, el material empleado ha de estar bien limpio y no se debe pipetear directamente de la botella el patrón. En general se trata de una técnica de fácil manejo y bastante rápida que nos permite determinar con bastante exactitud concentraciones del orden de ppm del analito de interés.

APLICACIONES, UTILIDAD DE LA PRÁCTICA Aproximadamente unos 65 elementos se pueden determinar con gran sensibilidad y precisión empleando la técnica de espectroscopía de absorción atómica frente a unos 10 que se determinan por la técnica de espectroscopía de emisión atómica. Esta técnica es rápida y muy útil siempre que dichos elementos se puedan presentar en disolución. Está especialmente indicada para la determinación de metales. Sus principales aplicaciones son: -

Análisis de aguas y suelos.

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Biología, Toxicología y medicina.

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Farmacéutica.

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Industria alimentaria y petroquímica. VERÓNICA NISTAL

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DETERMINACIÓN DE COBRE POR ABSORCIÓN ATÓMICA BIBLIOGRAFÍA Apuntes análisis instrumental. http://ocw.usal.es/ciencias-experimentales/analisis-aplicado-a-la-ingenieriaquimica/contenidos/course_files/Tema_5.pdf http://www.filtrosyequipos.com/GUEST/espectro/eaa.pdf http://pendientedemigracion.ucm.es/info/analitic/perso-leon/Practica3.pdf http://www.slideshare.net/evelinperezlopez/espectrometra-de-absorcin-atmica-15911392

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Determinación de cobre mediante AA.  
Determinación de cobre mediante AA.  
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